耐熱T4 級超耐磨輸送帶覆蓋膠的研制

莊炳建，朱 帥，陳 凱

（浙江雙箭橡膠股份有限公司，浙江 嘉興 314513）

現(xiàn)今，由于能源成本不斷提高，許多運(yùn)營公司都在致力于提高帶式輸送機(jī)的工作效率的同時(shí)降低運(yùn)營成本。 而能耗以及各部件的磨耗性能對運(yùn)營成本的影響尤為顯著[1]。輸送帶在長期的使用過程中由于受外部化學(xué)環(huán)境和物理環(huán)境的影響，經(jīng)常會發(fā)生撕裂、 龜裂和破損等狀況，因此輸送帶的耐磨性能顯得尤為重要[2]。 其骨架材料上需覆以耐磨性能優(yōu)良的特種合成橡膠[3]。 近年來，隨著國內(nèi)鋼鐵、 水泥、煤炭等行業(yè)的快速發(fā)展，接觸的物料不僅溫度高而且對輸送帶表面覆蓋膠的磨損很大，對耐熱輸送帶的耐磨性提出了更高的要求[4]。普通耐熱輸送帶在使用過程中接觸高溫物料之后變硬磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重限制了輸送帶的使用壽命。 有研究表明，耐熱輸送帶膠種選用高乙烯含量、 高門尼黏度的非充油型乙丙橡膠，可以有效提高EPDM 膠料的耐磨性能[5]，但對于覆蓋膠想達(dá)到超耐磨的要求依然差距很大。 所以本實(shí)驗(yàn)選擇用高門尼高乙烯含量的二元乙丙橡膠KEP-070P 和三元乙丙橡膠Ke1tan 7441A。 作為主體材料，使用高結(jié)構(gòu)超耐磨補(bǔ)強(qiáng)炭黑N234 作為填充劑，制得能夠在不影響耐熱性能的前提下達(dá)到超耐磨要求的耐熱超耐磨輸送帶的覆蓋膠，并且通過研究得出最佳填充比例、 防老體系、 硫化體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

二元乙丙橡膠KEP-070P （125 ℃門尼黏度為70，乙烯含量為71%），韓國錦湖； 三元乙丙橡膠Ke1tan 7441A （125 ℃門尼黏度為73，乙烯含量為62%），德國朗盛化學(xué)； 炭黑N220，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰荆?炭黑N234，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰荆?過氧化二異丙苯 （DCP），阿克蘇； 石蠟油，衡水璽皓化工； 其他助劑均為市售工業(yè)品。

1.2 主要設(shè)備

3 L 翻轉(zhuǎn)式密煉機(jī)，廣東利拿實(shí)業(yè)有限公司；BL-6175-A 小型開放式煉膠機(jī)，東莞市寶輪精密檢測儀器有限公司； 無轉(zhuǎn)子硫化儀，臺灣高鐵股份有限公司； XLB 型平板硫化機(jī)，湖州宏僑橡膠機(jī)械有限公司； 電子拉力機(jī)，臺灣高鐵股份有限公司

1.3 主要儀器

邵氏A 型橡膠硬度計(jì)，上海三菱機(jī)械廠； 阿克隆耐磨試驗(yàn)機(jī)，東莞永心 （耀科儀器） 電子科技有限公司； 熱空氣老化箱，上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠。

1.4 試驗(yàn)配方（質(zhì)量份）

基本配方A： 乙丙橡膠 （KEP-070P+ Ke1tan 7441A），100； 納米氧化鋅，8； 硬脂酸，1.5； 防老劑，2； 炭黑 （N220），30； 炭黑 （N330），30；石蠟油，15； 硫化劑 （DCP），4； 助交聯(lián)劑TAIC，1； 兩種橡膠配比為變量，其他組分含量不變。

配方B，C，D： 在基本配方A 確定了最佳乙丙橡膠配比后研究補(bǔ)強(qiáng)體系、 防老體系和硫化體系對力學(xué)性能和耐磨性的影響。

1.5 混煉工藝

混煉順序： 密煉機(jī)加入兩種橡膠 （KEP-070P+Ke1tan 7441A） 密煉→加入硬脂酸、 氧化鋅、 防老劑→加入炭黑和石蠟油→加入硫化劑→膠料停放24 h。

1.6 試樣制備與性能測試

拉伸性能試樣、 磨耗試樣均按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行制樣。

1.7 性能測試

拉伸性能按照GB/T 528-2009 《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》 規(guī)定方法進(jìn)行測定。

磨耗量按照GB/T 9867-2008 《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐磨性能的測定 （旋轉(zhuǎn)輥筒式磨耗機(jī)法）》規(guī)定方法進(jìn)行測定。

老化性能按照GB/T 3512-2014 《橡膠熱空氣老化試驗(yàn)方法》 規(guī)定方法進(jìn)行測定，測試條件： 180 ℃×168 h。

硬度按照GB/T 531.1-2008 《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法第1 部分： 邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》 的要求進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 在基礎(chǔ)配方A 中確定最佳橡膠比例

2.1.1 配方內(nèi)容

將二元乙丙橡膠 （KEP-070P） 和三元乙丙橡膠 （Ke1tan 7441A） 按照不同配比分別加入到基礎(chǔ)配方A 中，其他組分不變，進(jìn)行變量試驗(yàn)，具體見表1。

表1 覆蓋膠基礎(chǔ)配方內(nèi)容

2.1.2 EPM-KEP-070P/EPDM-Ke1tan 7441A 共混比對膠料性能的影響

表2～表4 為不同測試條件下二元乙丙橡膠（KEP-070P） 和三元乙丙橡膠 （Ke1tan 7441A） 按照不同比例在基本配方A 中的檢測結(jié)果。

表2 兩種橡膠不同配比對膠料性能的影響

表4 兩種橡膠不同配比對膠料性能的影響

從表2 可以看出，A4 配方中的硫化曲線t10時(shí)間最長，t90時(shí)間幾乎無變化，說明A4 配方操作時(shí)間長，加工安全性最好。 拉伸強(qiáng)度、 扯斷伸長率隨著Ke1tan 7441A 橡膠份數(shù)的增加而增加，在A4 配方中拉伸強(qiáng)度最高，斷裂伸長率適中。 磨耗量隨著Ke1tan 7441A 橡膠份數(shù)增加而呈下降趨勢，但到一定程度以后沒有明顯變化，A4 配方中的磨耗量最小。 老化后拉伸強(qiáng)度變化率和扯斷伸長率變化率隨著Ke1tan 7441A 橡膠份數(shù)的增加而呈大幅度下降趨勢，這是因?yàn)槿冶鹉z中引入了第三單體，使其耐熱性不如直鏈型二元乙丙橡膠，兩者并用時(shí)促進(jìn)了老化。 整體來看A4 配方耐熱性、 耐磨性最好，因此選定A4 配方進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

表3 兩種橡膠不同配比對膠料性能的影響

2.2 填充補(bǔ)強(qiáng)劑、 防老劑、 硫化劑對覆蓋膠性能的影響

2.2.1 填充補(bǔ)強(qiáng)劑對覆蓋膠性能的影響

在已經(jīng)確定最佳橡膠比例的基礎(chǔ)配方A4 中，研究添加不同比例的補(bǔ)強(qiáng)炭黑對覆蓋膠性能的影響,具體添加比例見表5，其他配方組成為： KEP-070P，70； Ke1tan 7441A，30； 納 米 氧 化 鋅，8；硬脂酸，1.5； 防老劑TMQ，2； 石蠟油，15 ； 硫化劑 （DCP），4； 助交聯(lián)劑TAIC，1。 具體性能見第115 頁圖1～圖4。

圖1 填充補(bǔ)強(qiáng)體系對覆蓋膠磨耗量的影響

圖4 填充補(bǔ)強(qiáng)體系對覆蓋膠硬度的影響

表5 添加補(bǔ)強(qiáng)炭黑后的覆蓋膠配方內(nèi)容

由圖1 知，隨著高結(jié)構(gòu)超耐磨炭黑N234 份數(shù)的增加，覆蓋膠磨耗量呈下降趨勢，這是因?yàn)楦呓Y(jié)構(gòu)炭黑N234 理論粒徑為22 nm，比表面積接觸更大，耐磨性最好。 由圖2 知，隨著高結(jié)構(gòu)超耐磨炭黑N234 份數(shù)的增加，覆蓋膠拉伸強(qiáng)度老化前后有所提高，在添加到45 份時(shí)性能最佳。 由圖3 知，斷裂伸長率老化前有所下降，但在老化后整體趨勢平緩，在添加到45 份時(shí)老化前后差距最小。 由圖4知，隨著高結(jié)構(gòu)超耐磨炭黑N234 份數(shù)的增加，覆蓋膠硬度在老化前后有所提高。 整體來看B4 配方耐磨性最好，因此選定B4 配方進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

圖2 填充補(bǔ)強(qiáng)體系對覆蓋膠拉伸強(qiáng)度的影響

圖3 填充補(bǔ)強(qiáng)體系對覆蓋膠斷裂伸長率的影響

2.2.2 防老劑對覆蓋膠性能的影響

在已經(jīng)確定最佳補(bǔ)強(qiáng)劑比例的B4 配方中，研究添加不同比例的防老劑對覆蓋膠性能的影響。 具體添加比例見表6，其他配方組成為： KEP-070P，70； Ke1tan 7441A，30； 納米氧化鋅，8； 硬脂酸1.5； 炭黑 （N220），15； 炭黑 （N234），45； 石蠟油，15 ； 硫化劑 （DCP），4； 助交聯(lián)劑TAIC，1。具體性能見第116 頁表7。

表6 添加補(bǔ)強(qiáng)劑的覆蓋膠配方內(nèi)容

由于乙丙橡膠本身就有很好的耐老化性能，因此在添加不同種類的防老劑后對膠料的整體性能影響很小，尤其是對本文重點(diǎn)研究的磨耗量來看影響更小。

從表7 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，在C1 配方中各添加1 份防老劑2264 和MB 時(shí)，其老化后拉伸強(qiáng)度變化率和斷裂伸長率的變化率效果最佳。 而且2264 為酚類非污染性防老劑中的優(yōu)良品種，不僅更加環(huán)保，而且對熱氧、 天候老化以及對變價(jià)金屬的抑制作用更加突出，同時(shí)分散性和相溶性非常好，并且用MB 時(shí)可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。 整體來看C1 配方的總和性能最好，因此選定C1 配方進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

表7 不同比例的防老劑對覆蓋膠性能的影響

2.2.3 硫化劑DCP 含量對覆蓋膠性能的影響

在已經(jīng)確定最佳防老劑體系的配方C1 中，研究不同的DCP 含量對覆蓋膠性能的影響，具體添加比例見第116 頁表8，其他配方組成為： KEP-070P，70； Ke1tan 7441A，30； 納 米 氧 化 鋅，8；硬脂酸，1.5； 炭黑 （N220），15； 炭黑 （N234），45； 石蠟油，15 ； 防老劑2264，1； 防老劑MB，1。 各項(xiàng)性能見第116 頁表9。

表8 添加DCP 的覆蓋膠配方內(nèi)容

由表9 可知，提高DCP 份數(shù)可以提高膠料的交聯(lián)度，增加拉伸強(qiáng)度，但添加到一定程度后強(qiáng)度反而下降。 而且對硬度影響較大，硬度提高之后會使得磨耗量增加反而達(dá)不到效果，D2 配方中添加4 份DCP 和一份TAIC 后膠料的各項(xiàng)性能最佳。

表9 不同比例的DCP 份數(shù)對覆蓋膠性能的影響

3 結(jié)論

1） 配方主體材料選擇高門尼、 高乙烯含量的乙丙膠對耐磨性有明顯提高。

2） 使用高結(jié)構(gòu)超耐磨的N234 炭黑45 份，N220 炭黑15 份時(shí)膠料的耐磨性和力學(xué)性能最佳。

3） 使用防老劑2264 和MB 各添加1 份時(shí)對耐磨性沒有明顯影響，但膠料老化后的物理性能最佳。

4） 配方中添加硫化劑DCP 4 份、 TAIC 1 份時(shí)，對膠料的耐磨性和老化前后的物理性能最佳。

5） 實(shí) 驗(yàn) 所 得 最 佳 配 方 為： KEP-070P，70；Ke1tan 7441A，30； 納米氧化鋅，8； 硬脂酸，1.5；炭黑 （N220），15； 炭黑 （N234），45； 石蠟油，15； 防 老 劑2264，1； 防 老 劑MB，1 ； 硫 化 劑（DCP），4； 助交聯(lián)劑TAIC，1。