HNBR同步帶拉伸強(qiáng)度和黏合性能的研究

嚴(yán)光旺，汪 艷

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

氫化丁腈橡膠（hydrogenated nitrile rubber，HNBR）是由丁腈橡膠（nitrile rubber，NBR）上不飽和雙鍵氫化成飽和鍵而制成的主鏈高度飽和的合成橡膠［1-3］。HNBR具有優(yōu)良的耐高溫（175℃）和耐低溫（-40℃）性能，具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能和高彈性、耐臭氧、耐曲撓龜裂、耐油、耐磨性能，并具有類似NBR的良好的加工工藝性能，易混煉、存放穩(wěn)定性好、操作安全，主要用于汽車、石油、航空航天等領(lǐng)域，如用做汽車油封、燃油系統(tǒng)部件、汽車傳動(dòng)帶、鉆井保持箱和泥漿用活塞、印刷和紡織用膠輥、航天航空用密封件、減震材料等［4-6］。目前，世界上幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家都在通過(guò)采用HNBR同步帶替換氯丁橡膠同步帶來(lái)提高汽車的性能。同步帶由強(qiáng)力層、背帶、背齒和包布層組成，這就對(duì)其之間的黏和性能有較高的要求，以達(dá)到形成一個(gè)具有優(yōu)異物理性能的整體［7-8］。本文采用正交試驗(yàn)［9-10］研究橡膠黏合劑1756HS（主要成分為馬來(lái)酸酐化聚丁二烯），橡膠黏合劑RC（RC屬間、甲、白黏合劑系列）和二甲基丙烯酸鋅（zinc dimethacrylate，ZDMA）不同配比HNBR同步帶膠料的物理機(jī)械性能及HNBR與經(jīng)過(guò)浸置處理的玻璃纖維線繩的黏合性，在保證HNBR同步帶具有一定的物理性能下確定各組分的最佳用量［11-15］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及配方

HNBR（德國(guó)朗盛集團(tuán)），牌號(hào)3446；過(guò)氧化二異丙苯（dicumyl peroxide，DCP）（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；三烯丙基異氰尿酸酯（triallyl isocy?anurate，TAIC）（湖南民合化工有限公司）；黏合劑1756HS（廣州市晴盛橡膠科技有限公司）；黏合劑RC（廣州市永保化工有限公司）；ZDMA（金錦樂(lè)化學(xué)有限公司）；玻璃纖維線繩（日本Porcher公司）；其他原材料和助劑均為橡膠工業(yè)常用品。

基本配方（單位：質(zhì)量份）：HNBR，100；氧化鋅（ZnO），5.0；炭黑 N33040；防老劑 4010NA，1.5；硬脂酸（stearic acid，SA），1；DCP，5；硫磺（S），1；鄰苯二甲酸二辛酯（dioctyl phthalate，DOP），3；促進(jìn)劑DM，1.5；TAIC，1；白炭黑，10；黏合劑1756HS、黏合劑RC和ZDMA為變量。

1.2 設(shè)備與儀器

SK160B雙滾筒煉膠機(jī)（上海拓林橡膠機(jī)械廠）；C2000E無(wú)轉(zhuǎn)子橡膠硫化儀（北京市友深電子儀器廠）；XLB-D壓力成型機(jī)（浙江湖州東方機(jī)械有限公司）；TY-4025沖片機(jī)（江都市天惠試驗(yàn)機(jī)械有限公司）；LX-A橡膠硬度計(jì)（上海倫捷機(jī)電儀表有限公司）；TCS-2000電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試樣制備

先將HNBR塑煉至橡膠能夠包輥（輥間距為1 mm～2 mm），接著加入ZnO、SA、防老劑、白炭黑、ZDMA、促進(jìn)劑DM進(jìn)行混煉，待混煉均勻后加入炭黑、DOP、TAIC進(jìn)行二次混煉，二次混煉均勻后加入黏合樹脂混煉。混煉均勻后進(jìn)行翻煉，左右各5到10次。最后加入DCP和硫磺，薄通讓膠料混合均勻，將輥距調(diào)為3 mm下片得到混煉膠。混煉膠放置1 d后進(jìn)行硫化曲線測(cè)試，將混煉膠模壓硫化制樣。硫化膠試樣放置1 d后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試

按照IOS4647—1982的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（H抽出法）測(cè)試橡膠與玻璃纖維線繩之間的黏合力。將單根玻璃纖維線繩拉直狀態(tài)下與混煉膠一起放入模具中于160℃加壓硫化30 min，使其黏合在一起形成硫化膠塊。然后用拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，測(cè)定把每厘米的單根玻璃纖維線繩從硫化膠塊中完全抽出時(shí)最大力的大小來(lái)表征橡膠和玻璃纖維線繩之間的黏合性能。

測(cè)定混煉膠在160℃下的硫化曲線，將混煉膠于模具中160℃加壓硫化得到硫化膠，在沖片機(jī)下制成標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴狀樣條。按照GB/T528—2009和GB/T3686—1998測(cè)試硫化膠樣條的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、永久形變率等物理機(jī)械性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化劑體系對(duì)HNBR膠料性能的影響

DCP單用和DCP與S并用對(duì)HNBR膠料性能的影響如表1所示。

從表1中可以看出DCP和S并用時(shí)最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩的差值（MH-ML）比單獨(dú)使用DCP時(shí)的大，說(shuō)明DCP和S并用的硫化體系可以提高HNBR的交聯(lián)密度。這是因?yàn)镠NBR中有部分雙鍵存在，S能使雙鍵形成交聯(lián)。從表1看出，S的加入相較于單獨(dú)使用DCP可以有效地提高HNBR的拉伸性能和黏合力，而且邵氏硬度的值幾乎不變，但拉伸永久形變率有增大的趨勢(shì)。

綜上所述，DCP和S并用的硫化體系能夠提升HNBR物理性能，黏合性能也有增強(qiáng)，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)采用DCP和S并用。

表1 硫化體系對(duì)HNBR膠料性能的影響Tab.1 Effects of vulcanization system on performance of HNBR compounds

2.2 白炭黑用量對(duì)HNBR膠料性能的影響

圖1是白炭黑用量對(duì)HNBR膠料拉伸強(qiáng)度及HNBR膠料和玻璃纖維線繩之間黏合力的影響。從圖1中可以看出隨著白炭黑用量的增加HNBR膠料的拉伸強(qiáng)度下降，且下降趨勢(shì)逐漸變緩，10 phr白炭黑用量和12 phr時(shí)的變化已不大。隨著白炭黑用量的增加HNBR膠料和玻璃釬維線繩黏合力增大，增大幅度先快后慢，10 phr和12 phr白炭黑的用量對(duì)黏合力影響不大。

圖1表明增加白炭黑會(huì)提升黏合性能但會(huì)降低拉伸強(qiáng)度，由于后續(xù)試驗(yàn)會(huì)加入黏合劑及能提高黏合能力的ZDMA，這些試劑會(huì)在提高橡膠的黏合性能的同時(shí)降低其拉伸性能。綜合考慮該試驗(yàn)選定白炭黑份數(shù)為10 phr。

圖1 白炭黑用量對(duì)HNBR拉伸強(qiáng)度及HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間黏合力的影響Fig.1 Effects of carbon-white amount on tensile strength HNBR and adhesion of HNBR and fiber rope

2.3 黏合劑RC、黏合劑1756HS及ZDMA的用量對(duì)HNBR膠料性能的影響

試驗(yàn)中的變量為ZDMA用量、RC用量和1756HS用量，采用正交試驗(yàn)，試驗(yàn)的因子和水平如表2所示。采用L9（34）正交設(shè)計(jì)，試驗(yàn)安排和結(jié)果如表3所示，數(shù)據(jù)計(jì)算如表4所示。表3的第4列和表4的第13～16行為空白列（行），用于正交試驗(yàn)的輔助計(jì)算和結(jié)果分析。

表2 試驗(yàn)的因素和水平Tab.2 Factors and levels of tests

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test design and results of tests

表4 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算Tab.4 Data calculation of orthogonal experiment results

從表4中可以看出ZDMA、1756HS、黏合劑RC對(duì)HNBR拉伸強(qiáng)度均有較大影響：ZDMA影響最大，1756HS次之，黏合劑RC影響最小。而且三變量均在1水平時(shí)拉伸強(qiáng)度最大，說(shuō)明增加ZDMA、1756HS和黏合劑RC的份數(shù)反而會(huì)降低HNBR膠料的拉伸強(qiáng)度。

HNBR的拉伸永久形變率是ZDMA、黏合劑RC和1756HS均在1水平時(shí)最小：ZDMA對(duì)其影響最大，黏合劑RC其次，1756HS對(duì)拉伸永久形變率幾乎沒(méi)有影響。加入ZDMA、黏合劑RC和1756HS，雖然可以改善膠料的黏合性能但同時(shí)也會(huì)破壞橡膠的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致橡膠的回彈性變差。

計(jì)算3個(gè)變量對(duì)HNBR黏合性能的極差G=K/K空有G（ZDMA）=4.2，G（RC）=1.9，G（1756HS）=0.5，計(jì)算結(jié)果表明 ZDMA 和黏合劑RC能有效地提高HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間的黏合力，ZDMA的影響因素最大，而黏合劑1756HS的用量對(duì)其影響不大。對(duì)表4中K值比較可以看出對(duì)于黏合力，ZDMA 3水平因素、黏合劑RC 3水平因素、1756HS 2水平因素時(shí)性能最好。

經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證確定11 phr ZDMA，5 phr RC，3 phr 1756HS時(shí)能夠滿足HNBR同步帶對(duì)膠料的物理機(jī)械性能和黏合性的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）DCP和S并用的硫化體系可以有效地提高HNBR膠料的拉伸性能和黏合性能。

2）白炭黑的用量在一定范圍內(nèi)能夠明顯地提高HNBR與玻璃纖維線繩之間的黏合力，但隨著用量的增加黏合力增加幅度變小，且降低HNBR膠料的拉伸性能。

3）1756HS的用量對(duì)HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間的黏合力影響不大。ZDMA和黏合劑RC能夠有效地提高HNBR膠料與玻璃纖維線繩之間的黏合力。

4）ZDMA、1756HS和黏合劑RC對(duì)HNBR膠料拉伸強(qiáng)度有較大影響。

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