高性能紡織梭輪材料配方研究

李愛民，毛學(xué)斌，李方山

（1.安徽中鼎密封件股份有限公司，安徽寧國242300；2.安徽安大中鼎橡膠技術(shù)開發(fā)有限公司，安徽合肥230038；3.安徽省高性能橡膠材料及制品實驗室，安徽合肥230038）

梭輪是圓織機(jī)重要的配套零部件，結(jié)構(gòu)一般為鐵芯外包覆實心高分子彈性體材料。在使用工況下，梭輪需要承受較大的離心力和摩擦力，在運動軌跡方向上，高分子彈性體材料在力的作用下不斷重復(fù)壓縮-松弛-恢復(fù)的形變過程[1]。在此過程中，由材料本身的高彈性形變產(chǎn)生的滯后生熱和宏觀摩擦生熱會導(dǎo)致梭輪溫度急劇上升。由于絕大多數(shù)高分子彈性體材料是熱的不良導(dǎo)體，無法及時導(dǎo)出內(nèi)部蓄積的熱量，會導(dǎo)致梭輪材料快速升溫降解而出現(xiàn)破裂、崩塊和脫膠現(xiàn)象。

隨著高速圓織機(jī)的開發(fā)成功，圓織機(jī)梭子用梭輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，轉(zhuǎn)速可高達(dá)3 000～4 000 r/min，需要開發(fā)出高性能梭輪用高分子彈性體材料，以滿足梭輪制品的更高要求。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

丁腈橡膠NBR N230S（日本JSR 株式會社）；羧基丁腈NX775（日本瑞翁化學(xué)工業(yè)株式會社）；NBR/PVC（中鼎公司自制）；混煉型聚氨酯橡膠MPU 643G（萊茵公司）；間接法氧化鋅（安徽含山錦華氧化鋅廠）；硬脂酸（杭州油脂化工有限公司）；白炭黑，ZEOSIL 175MP（索爾維精細(xì)化工有限公司）；硫磺（珠?？泼邢薰荆?；過氧化物DCP（太倉塑料助劑廠）；酚醛樹脂（溴甲基烷基苯酚甲醛樹脂）（美國圣萊科特公司）；其他原材料均為市售產(chǎn)品。

1.2 實驗儀器

X（S）K-160 開放式煉膠（塑）機(jī)；QLB-50D/Q 平板硫化機(jī)；高鐵AI-7000S 電子拉力試驗機(jī)；LX-A 型橡膠硬度計；Gibitre 橡膠回彈性測試儀；SS-5643-D 滾筒式磨耗試驗機(jī)；TPS2500S 熱常數(shù)分析儀；梭輪臺架試驗機(jī)（自制）。

1.3 樣品制備

將除生膠外配料先按配方比例混合，充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚍稚?，再與生膠在開煉機(jī)上混煉；均勻后薄通3 次，停放24 h 出片硫化，停放24 h 后測試各項性能。膠片硫化條件為175℃×10 min，硫化性能測試在流變儀上進(jìn)行，條件為175℃×15 min。

1.4 硫化膠的性能測試

按照GB 2941 制樣；按GB/T 531.1 測試邵爾A 型硬度；按照GB528 測試?yán)煨阅?；按照GB/T 1681 測試回彈性能；按照GB/T 9867 測試滾筒磨耗；按照ISO22007 測試導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

表1 不同彈性體材料對性能的影響

表2 不同彈性體材料試制品梭輪臺架實驗的性能

2.1 彈性體材料的選擇

混煉型聚氨酯MPU 材料強(qiáng)度高，耐磨性好，是一種制備高強(qiáng)度高耐磨制品的優(yōu)良材料[2]，但其在高速摩擦轉(zhuǎn)動時內(nèi)部蓄熱快，制品內(nèi)部溫度短時間內(nèi)急劇升高，很快出現(xiàn)崩塊掉落現(xiàn)象。NBR/PVC 合金材料由于含有一定含量的塑料成分，導(dǎo)致材料彈性降低，發(fā)硬變脆，更易出現(xiàn)崩塊掉落現(xiàn)象。與丁腈橡膠相比，羧基丁腈橡膠由于結(jié)構(gòu)中引入了可反應(yīng)性的羧基基團(tuán)，這使得其不僅可以與硫黃-促進(jìn)劑或過氧化物硫化，在雙鍵位置形成共價型交聯(lián)鍵，同時還可與二價金屬氧化物或其鹽反應(yīng)形成離子型交聯(lián)鍵，而對整個大分子網(wǎng)絡(luò)有明顯的補(bǔ)強(qiáng)及增硬作用，但材料彈性形變性能下降。在高頻應(yīng)力作用下摩擦生熱增大，加之導(dǎo)熱性差，無法及時導(dǎo)出蓄熱，臺架實驗時產(chǎn)品很快破壞。

丁腈橡膠NBR 中的丙烯腈結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)吸電子能力，提高了烯丙基位置上氫的穩(wěn)定性，因此中、高丙烯腈含量的NBR 有較好的耐熱性能。同時，丙烯腈含量的增加，結(jié)構(gòu)單元的極性增強(qiáng)，大分子間相互作用力增大，使丁腈橡膠獲得了更高的耐磨損性[3]。從表1 和表2 可得，綜合基本物性及臺架實驗結(jié)果，N230S 是較為理想的制備梭輪的橡膠彈性體材料。

2.2 填充體系的優(yōu)化

表3 不同填充體系對N230S 材料的性能影響

表4 不同填充體系對N230SNBR 試制品臺架實驗的性能影響

由于梭輪是淺色制品，所以選用白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)填料。以N230S 為基礎(chǔ)材料，研究了不同添加比例和配合體系的氣相法白炭黑和沉淀法白炭黑對材料性能的影響。結(jié)果顯示，氣相法白炭黑（g-SiO2）的粒徑小于沉淀法白炭黑（p-SiO2），比表面積更大，活性更高，補(bǔ)強(qiáng)效果更好。隨著白炭黑添加量的增加，其在基體中微相分散的連續(xù)度增加，可以提高材料的拉伸強(qiáng)度。硅烷偶聯(lián)劑Si-69 是改性白炭黑表面化學(xué)特性的有效活性劑，它既含有能與白炭黑表面硅醇基反應(yīng)的官能團(tuán)，又含有能在硫化過程中與橡膠鍵合的官能團(tuán)，使其在白炭黑與橡膠大分子之間化學(xué)“架橋”，最終產(chǎn)生較多的填充劑——橡膠鍵，提高了硫化膠的拉伸強(qiáng)度和耐磨性[4]。配合硅烷偶聯(lián)劑后，N230S 硫化膠的交聯(lián)密度增加，導(dǎo)熱系數(shù)略有提高。添加份數(shù)以70 份為宜，繼續(xù)提高添加量會使力學(xué)性能下降。

2.3 硫化體系的優(yōu)化

表5 硫化體系對N230S 硫化膠材料的性能影響

表6 硫化體系對N230S 試制品臺架實驗的性能影響

硫磺硫化體系，交聯(lián)鍵以單硫鍵和多硫鍵為主，材料回彈性能較好。但由于多硫鍵鍵能較低，導(dǎo)致耐熱性下降，高速運轉(zhuǎn)下的內(nèi)部生熱加速了材料的熱老化過程，臺架實驗性能較差。過氧化物硫化體系可以提高交聯(lián)密度，同時交聯(lián)鍵以C-C 鍵為主，鍵能高，可以提高耐熱性和耐磨性。但由于交聯(lián)密度的提高，材料的彈性形變性能變差，回彈性能下降。酚醛樹脂硫化體系在硫化過程中能形成鍵能較高、熱穩(wěn)定較好的-C-C-和-C-O-C 交聯(lián)鍵，幾乎不產(chǎn)生硫化返原現(xiàn)象，具有較高的耐熱性。綜合基本物性及臺架實驗結(jié)果，酚醛樹脂是較為理想的制備梭輪的橡膠彈性體材料硫化體系。

3 結(jié)論

（1）研制了高性能紡織梭輪橡膠配方，基礎(chǔ)配方為：N230S 100，氣相法白炭黑70，硅烷偶聯(lián)劑2，氧化鋅5，硬脂酸1，潤滑劑1，酚醛樹脂15，其他。

（2）轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，載荷為200 N，頻率為50 Hz 時，梭輪臺架疲勞耐久試驗時長超過90 h。