聚氨酯與天然橡膠合金材料的研究

張華知 張宏 劉志民 黃艷(四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 瀘州 646000)

聚氨酯與天然橡膠合金材料的研究

張華知 張宏 劉志民 黃艷(四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 瀘州 646000)

本文主要研究聚氨酯與天然橡膠合金材料的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)聚氨酯的量為50份炭黑N330為0份時(shí)，合金材料的回彈值最大，硬度最大，定伸應(yīng)力最大，磨耗最小。當(dāng)聚氨酯的量為45份炭黑N330為5份時(shí)，合金材料的拉伸強(qiáng)度最大，扯斷伸長(zhǎng)率最大。

聚氨酯；天然橡膠；補(bǔ)強(qiáng)

自1904年Ch.Mottet[1]將炭黑用于橡膠工業(yè)以來，橡膠輪胎的磨耗壽命從不足5000km，提高到50000km，拉伸強(qiáng)度從2MPa，提高了10倍左右[2]。炭黑是橡膠的傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑，它所特有的補(bǔ)強(qiáng)作用是橡膠工業(yè)發(fā)展的核心[3]。目前其它填料也在迅猛地發(fā)展。聚氨酯彈性體，是一種介于橡膠和塑料之間的彈性材料，既具有橡膠的高彈性，又具有塑料的高強(qiáng)度，它的伸長(zhǎng)率大，硬度范圍寬廣，它的耐磨性也特別突出，同時(shí)，它還有優(yōu)異的耐油、耐沖擊、耐低溫、耐輻射、隔熱、絕緣等性能[4]。因此，聚氨酯與天然橡膠的合金材料具有研究意義。

本實(shí)驗(yàn)通過聚氨酯、標(biāo)準(zhǔn)炭黑N330與天然橡膠形成合金材料，討論聚氨酯的添加量對(duì)合金材料性能的影響。利用橡膠回彈儀、邵爾硬度儀、電子拉伸試驗(yàn)機(jī)、阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)等表征材料的力學(xué)性能[5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

(1)原料 天然橡膠：中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院；聚氨酯：自制；炭黑：N330，工業(yè)級(jí)，河北龍星化工股份有限公司；硫磺：優(yōu)等品，硬脂酸：200型，氧化鋅：ZnO-X1，促進(jìn)劑DM：優(yōu)級(jí)品，中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院。

(2)儀器設(shè)備 精密開煉機(jī)：ZG-76，東莞市正工機(jī)電設(shè)備科技有限公司；模具控溫機(jī)：KSS-12K，東莞市華易制次設(shè)備有限公司；精密型自動(dòng)壓片機(jī)：ZG-20T，東莞市正工機(jī)電設(shè)備科技有限公司；沖片機(jī)：CP-2中華人民共和國(guó)，中共機(jī)械器廠；橡膠回彈儀：仿2116，天津市器材料試驗(yàn)機(jī)廠；邵爾硬度儀：JLX-A，江都市精藝試驗(yàn)機(jī)械有限公司；電子拉伸試驗(yàn)機(jī)：CMT5103，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司。智能型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DZF-6020，上?，樮幵囼?yàn)設(shè)備有限公司；電子天平：CP214，奧豪斯儀器有限公司。

(3)實(shí)驗(yàn)方法 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3780.18-2007炭黑在天然橡膠中的鑒定方法，采用開煉機(jī)的試驗(yàn)步驟，對(duì)聚氨酯與天然橡膠的合金材料進(jìn)行機(jī)械混合。以聚氨酯和炭黑N330合金材料作為橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑，5個(gè)試樣天然橡膠都是100g,分別加入聚氨酯50g、45g、40g、35g、30g，炭黑N330為0g、5g、10g、15g、20g；根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6038對(duì)膠料進(jìn)行硫化，再測(cè)試橡膠的各種性能。

2 結(jié)果與討論

(1)回彈性 橡膠并不是理想的彈性體，它既有彈性又有黏性?；貜椥允呛辖鸩牧掀焚|(zhì)的重要指標(biāo)，在不同的使用環(huán)境下對(duì)彈性有著不同的要求。從圖1可以很明顯看出隨著聚氨酯量的增加，回彈值在增加；當(dāng)填料全部為聚氨酯時(shí)，回彈值達(dá)到最大值。

(2)硬度 硫化橡膠的硬度也是橡膠制品的又一重要指標(biāo)，硬度與填料的性質(zhì)、填料的配合量有很大關(guān)系，比表面積高，結(jié)構(gòu)高的填料，其配合量稍有變化時(shí)，硬度則隨之發(fā)生明顯的變化。從圖1可以很明顯看出隨著聚氨酯量的增加，硬度在增加，但增加幅度不大；當(dāng)填料全部為聚氨酯時(shí)的硬度達(dá)到最大值。

(2)拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能 300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、扯斷生產(chǎn)率是表征橡膠抵抗外力作用的極限能力，是橡膠使用壽命長(zhǎng)短的重要指標(biāo)。只有合金材料的拉伸強(qiáng)度高的膠料，才能保證在拉伸過程中不斷裂，因而具有較高的伸長(zhǎng)率。從圖2可以看出，隨著聚氨酯添加量的增加，合金材料的300%定伸應(yīng)力在增加，拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率有增加趨勢(shì)。當(dāng)填料全部用聚氨酯時(shí)的300%達(dá)到最大值；當(dāng)聚氨酯的量為45g炭黑N330為5份時(shí)，合金材料的拉伸強(qiáng)度最大，扯斷伸長(zhǎng)率最大。

(3)耐磨性能 耐磨性是橡膠制品使用壽命的保證，也是橡膠制品質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體表征為抗摩擦能力。從圖1可以很明顯看出隨著聚氨酯量的增加，磨耗體積在減少；當(dāng)填料全部用聚氨酯時(shí)的磨耗體積達(dá)到最小值。(圖1、圖2)

3 結(jié)論

當(dāng)聚氨酯的量為50份炭黑N330為0份時(shí)，合金材料的回彈值最大，硬度最大，定伸應(yīng)力最大，磨耗最小。當(dāng)聚氨酯的量為45g炭黑N330為5份時(shí)，合金材料的拉伸強(qiáng)度最大，扯斷伸長(zhǎng)率最大。

[1]Zimerman B.N.，Kolley Frank N.．The polymer program at the University of Akron new trends[J]．new directions.Polym.News，1989，14(10)：311-317．

[2]李炳炎．炭黑的生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000，P 12．

[3]王夢(mèng)蛟，李顯堂．炭黑[M]．第一版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982，P 255．

[4]郁為民;宮濤;聚氨酯彈性體發(fā)展近況與應(yīng)用開發(fā)[A];中國(guó)聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì)第十次年會(huì)論文集[C];2000年.

[5]張華知，陳建，謝純，鄧乙川，何德聰．螺旋納米碳纖維對(duì)天然橡膠補(bǔ)強(qiáng)性能的研究[J]．彈性體，2014，24(1)：6-8．

圖1 聚氨酯的添加量對(duì)硬度、回彈值、磨耗體積的影響

圖2 聚氨酯的添加量對(duì)拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的影響