雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)濾網(wǎng)過濾對(duì)溶聚丁苯橡膠/順丁橡膠并用膠性能的影響

宮軼勤，單體坤，汪傳生

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266042）

濾膠機(jī)[1-5]作為高品質(zhì)膠料擠出成型工藝中的最終環(huán)節(jié)設(shè)備，能夠過濾膠料中混入的雜質(zhì)，再次細(xì)化和分散配合劑，并對(duì)橡膠分子鏈有一定的取向作用，經(jīng)濾膠機(jī)過濾的膠料質(zhì)量提高。

在利用齒輪泵式濾膠機(jī)濾膠的過程中，螺桿轉(zhuǎn)速、齒輪泵轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度、濾網(wǎng)孔徑以及過濾次數(shù)等都會(huì)對(duì)最終過濾得到的膠料性能產(chǎn)生影響。本工作利用自主研發(fā)的雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)過濾溶聚丁苯橡膠（SSBR）/順丁橡膠（BR）并用膠[6]，研究雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)對(duì)SSBR/BR并用膠的過濾作用以及濾網(wǎng)孔徑對(duì)并用膠性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

SSBR，牌號(hào)10，充油37.5份；BR，牌號(hào)2000，日本旭化成化學(xué)有限公司產(chǎn)品。高分散性白炭黑，山東屹諾新材料有限公司產(chǎn)品。偶聯(lián)劑Si69，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5，連云港銳巴化工有限公司產(chǎn)品。氧化鋅、防老劑4020、促進(jìn)劑CBS和促進(jìn)劑D，阿拉丁試劑（上海）有限公司產(chǎn)品。硬脂酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。硫黃，巴斯夫（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

SSBR 103，BR 25，高分散性白炭黑 80，偶聯(lián)劑Si6912.5，氧化鋅 2.5，硬脂酸 2，防老劑40202，促進(jìn)劑CBS 1.7，促進(jìn)劑D 2，硫黃 1.4。

1.3 主要設(shè)備和儀器

雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)和X（S）0.3型密煉機(jī)，青島科技大學(xué)產(chǎn)品；濾網(wǎng)，304不銹鋼工業(yè)篩網(wǎng)，上海嘉羽五金篩網(wǎng)有限公司產(chǎn)品；SK-168型開煉機(jī)，上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；QLB-400×400×2型平板硫化機(jī)，青島亞東機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；TCN3-JSC-10型橡膠厚度計(jì)，北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司產(chǎn)品；MM4130C型無(wú)轉(zhuǎn)子流變儀，中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；UM-2050型門尼粘度儀和TS2005b型拉力試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；LX-A型橡膠硬度計(jì)，上海六菱儀器廠產(chǎn)品；DH-2050QZ型德墨西亞屈撓龜裂試驗(yàn)機(jī)，東莞宏浦儀器科技有限公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析儀和GABOMETER-150型動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析（DMA）儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，冷卻水溫度為40 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為65 r·min-1，填充因數(shù)為0.65，壓砣壓力為0.65 MPa[7]，混煉工藝為：加入SSBR，塑煉25 s后加入BR，塑煉40 s后加入2/3的高分散性白炭黑，混煉30 s后加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑4020、偶聯(lián)劑Si69和剩余1/3高分散性白炭黑，混煉45 s后提壓砣，膠料溫度達(dá)到150 ℃時(shí) 排膠。

二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行，輥溫為（50±5） ℃，混煉工藝為：加入一段混煉膠，再加入促進(jìn)劑CBS、促進(jìn)劑D和硫黃，在最小輥距下進(jìn)行壓延、薄通5次，將輥距調(diào)至4 mm左右下片[7]。

混煉膠停放24 h后將其裁剪成寬為5 cm的膠條于雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)中擠出，螺桿轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，齒輪泵轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，機(jī)筒溫度為80 ℃[8]。

混煉膠從濾膠機(jī)中濾出之后再次停放24 h，再在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150 ℃/10 MPa×（t90+5 min）。

1.5 測(cè)試分析

（1）門尼粘度：按照GB/T 1232.1—2016進(jìn)行測(cè)試（每一并用膠測(cè)3個(gè)試樣，取平均值）。

（2）硫化特性：按照GB/T 16584—1996進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度為150 ℃，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0.5°。

（3）物理性能：硬度按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行測(cè)試（每一并用膠測(cè)5個(gè)試樣，取平均值）；拉伸性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試（每一并用膠測(cè)5個(gè)試樣，取平均值）；耐屈撓性能按照GB/T 13934—2006進(jìn)行測(cè)試，先調(diào)整夾持器間的距離和行程，使試樣平展、垂直且不受張力，屈撓5萬(wàn)次后停機(jī)，將夾持器間的距離增大至65 mm，觀察并記錄試樣的原始龜裂程度，重新啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，再次屈撓5萬(wàn)次，觀察并記錄試樣的龜裂程度（每一并用膠測(cè)10個(gè)試樣，取平均值）。

（4）Payne效應(yīng)：采用RPA2000橡膠加工分析儀進(jìn)行應(yīng)變掃描分析，頻率為0.01 Hz，溫度為60 ℃，應(yīng)變范圍為0.28%～50%（每一并用膠測(cè)3個(gè)試樣，取平均值）。

（5）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能：采用DMA儀進(jìn)行溫度掃描分析，拉伸模式，掃描頻率為10 Hz，靜態(tài)應(yīng)變?yōu)?%，靜態(tài)應(yīng)力為70 N，動(dòng)態(tài)應(yīng)變?yōu)?.25%，動(dòng)態(tài)應(yīng)力為60 N，溫度范圍為-65～65 ℃，升溫速率為2℃·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 門尼粘度和硫化特性

表1示出了雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑對(duì)SSBR/BR并用膠門尼粘度和硫化特性的 影響。

表1 濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑對(duì)SSBR/BR并用膠門尼粘度和硫化特性的影響Tab.1 Effect of screen apertures of rubber filter on Mooney viscosities and vulcanization characteristics of SSBR/BR blend

從表1可以看出：經(jīng)過濾膠機(jī)濾網(wǎng)過濾后，SSBR/BR并用膠的t10均延長(zhǎng)，克服了t10過短，并用膠硫化起步快，易于焦燒，操作安全性差的問題，說明螺桿和齒輪的剪切作用以及濾網(wǎng)的過濾作用對(duì)配合劑起到了良好的分散效果，使促進(jìn)劑分散更加均勻，發(fā)揮出更大的作用；隨著濾網(wǎng)孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的t10呈先延長(zhǎng)后縮短的趨勢(shì)，當(dāng)濾網(wǎng)孔徑為75 μm時(shí)，t10最長(zhǎng)，t90呈先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)，當(dāng)濾網(wǎng)孔徑為75 μm時(shí)，t90最短，并用膠的硫化反應(yīng)最快，獲取最佳性能所需時(shí)間最短，說明濾網(wǎng)細(xì)化后并用膠的配合劑分散更均勻，加速了并用膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成。

在一定程度上，F(xiàn)max表征膠料的模量，F(xiàn)max越大，膠料的硬度和定伸應(yīng)力越大；FL表征膠料的流動(dòng)性，F(xiàn)L越小，膠料的流動(dòng)性越好；Fmax-FL表征膠料的交聯(lián)密度，F(xiàn)max-FL越大，膠料的交聯(lián)密度越大[9]。從表1還可以看出：隨著濾網(wǎng)孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的Fmax-FL呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)濾網(wǎng)孔徑為150 μm時(shí)，F(xiàn)max-FL最大，反映出并用膠的交聯(lián)密度最大，交聯(lián)程度最高，表明濾網(wǎng)過濾對(duì)并用膠原有的混亂橡膠分子鏈進(jìn)行排列，有助于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成。

2.2 物理性能

表2示出了雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑對(duì)SSBR/BR并用膠物理性能的影響。

表2 濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑對(duì)SSBR/BR并用膠物理性能的影響Tab.2 Effect of screen apertures of rubber filter on physical properties of SSBR/BR blend

從表2可以看出：經(jīng)過濾膠機(jī)濾網(wǎng)過濾后，SSBR/BR并用膠的物理性能顯著提高；隨著濾網(wǎng)孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的邵爾A型硬度、100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)濾網(wǎng)孔徑為75 μm時(shí)，SSBR/BR并用膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為14.28 MPa和52 kN·m-1，分別增大了27.5%和33.3%。分析認(rèn)為：濾網(wǎng)過濾能夠很好地均化并用膠，螺桿的擠壓和濾網(wǎng)的阻力使并用膠承受持續(xù)的應(yīng)力，應(yīng)力使大量散亂的橡膠分子鏈（段）取向，進(jìn)而易于更多的橡膠分子鏈（段）相互連接，形成更多的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并用膠的強(qiáng)度因此進(jìn)一步增大[10]；但這種提升作用并不是無(wú)限的，因?yàn)檫^小孔徑的濾網(wǎng)使流經(jīng)的并用膠所受阻力過大而形成局部紊流，從而導(dǎo)致并用膠的性能降低。

從表2還可以看出：隨著濾網(wǎng)孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的拉斷伸長(zhǎng)率也呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樾】讖降臑V網(wǎng)在一定程度減弱了橡膠分子鏈（段）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，橡膠分子鏈（段）的變形能力也有一定降低；屈撓試樣斷裂個(gè)數(shù)和屈撓龜裂等級(jí)先減小后增大，當(dāng)濾網(wǎng)孔徑為75 μm時(shí)，SSBR/BR并用膠的耐屈撓性能最好。

2.3 Payne效應(yīng)

圖1示出了雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)不同濾網(wǎng)孔徑下SSBR/BR并用膠（混煉膠）的彈性模量（G′）-應(yīng)變曲線。

圖1 濾膠機(jī)不同濾網(wǎng)孔徑下SSBR/BR并用膠的G＇-應(yīng)變曲線Fig.1 G＇-strainc urves of SSBR/BR blend under different screen apertures of rubber filter

從圖1可以看出：在相同應(yīng)變下，經(jīng)過濾膠機(jī)濾網(wǎng)過濾的SSBR/BR并用膠的G′小于未過濾的SSBR/BR并用膠；隨著應(yīng)變的增大，SSBR/BR并用膠的G′呈減小趨勢(shì)，這一結(jié)果符合Payne效應(yīng)[11-21]；隨著濾網(wǎng)孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的G′的減小幅度越來越小，即ΔG′（ΔG′＝G′max-G′min）減小，這說明隨著濾網(wǎng)孔徑的減小，并用膠的Payne效應(yīng)越來越弱，填料網(wǎng)絡(luò)化程度更低。

2.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

動(dòng)態(tài)力學(xué)性是指材料在復(fù)合交變作用下產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)，復(fù)合交變不僅包括力的變化，還包括溫度、形變、頻率的變化，力學(xué)響應(yīng)是針對(duì)這種變化所作出的反應(yīng)。橡膠是高彈性材料，具有高彈態(tài)特征，在不同的溫度或者力作用下，其狀態(tài) 不同。

圖2示出了雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑對(duì)SSBR/BR并用膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，tanδ為損耗因子，表征外力對(duì)并用膠做功時(shí)并用膠產(chǎn)生的熱量?jī)?nèi)耗。

tanδ-溫度曲線上的tanδ峰值對(duì)應(yīng)的溫度代表膠料的玻璃化溫度，玻璃化溫度是橡膠分子鏈（段）能自由活動(dòng)的最低溫度，達(dá)到這一溫度后膠料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，因此玻璃化溫度是橡膠分子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變的宏觀體現(xiàn)。從低溫到高溫過程中膠料中的橡膠分子結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變，粘彈性隨之變化，較高的玻璃化溫度意味著填料與橡膠基體結(jié)合更好，需要較高的溫度才能使得橡膠分子鏈（段）松弛而發(fā)生狀態(tài)改變。從圖2（b）可以看出，濾網(wǎng)孔徑為75 μm時(shí)，SSBR/BR并用膠的tanδ峰值最大，玻璃化溫度最高，這說明小孔徑濾網(wǎng)過濾后的并用膠中填料的分散性較好，填料的網(wǎng)絡(luò)化程度降低，從而造成tanδ峰值增大。

0 ℃時(shí)的tanδ可以用來表征膠料的抗?jié)窕阅埽? ℃時(shí)的tanδ較大，表示膠料的滯后損失較大，抗?jié)窕阅茌^好。從圖2（c）可以看出，未經(jīng)過濾的SSBR/BR并用膠的抗?jié)窕阅茏罴选?/p>

圖2 濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑對(duì)SSBR/BR并用膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of screen apertures of rubber filter on dynamic mechanical properties of SSBR/BR blend

60 ℃時(shí)的tanδ可以用來表征膠料的滾動(dòng)阻力，60 ℃時(shí)的tanδ較小，表示膠料的滯后損失較小，滾動(dòng)阻力較低。從圖2（d）可以看出，當(dāng)濾網(wǎng)孔徑為75 μm時(shí)，SSBR/BR并用膠60 ℃時(shí)的tanδ最小，滾動(dòng)阻力最低，這說明并用膠在經(jīng)濾網(wǎng)均化后橡膠分子鏈的柔順性和有序性變好，從而使滯后損失減小。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)過濾后，SSBR/BR并用膠的硫化特性和物理性能改善；隨著濾網(wǎng)孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的邵爾A型硬度、100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度都呈先增大后減小趨勢(shì)，Payne效應(yīng)越來越弱。

（2）當(dāng)雙驅(qū)動(dòng)同步齒輪泵式濾膠機(jī)濾網(wǎng)孔徑為75 μm時(shí)，SSBR/BR并用膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度最大，分別比未過濾的SSBR/BR并用膠增大27.5%和33.3%，耐屈撓性能最好，tanδ峰值最大，玻璃化溫度最高，60 ℃時(shí)的tanδ最小，滾動(dòng)阻力 最低。