整體式橡膠履帶用膠料抗切割性能的配方影響因素研究

楊瑞蒙，肖程遠(yuǎn)，譚蓮影，呂秀鳳，黃良平

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

整體式橡膠履帶是一種橡膠與纖維材料復(fù)合而成的環(huán)形橡膠帶（見(jiàn)圖1），與金屬履帶相比，其具有接地壓力小、振動(dòng)噪聲低、不損傷路面、質(zhì)量小、速度快、可多路況運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[1]，但其在沙石路面行駛時(shí)容易損壞。良好的抗切割性能有助于防止橡膠履帶早期損壞和延長(zhǎng)其使用壽命。因此，研究膠料的抗切割性能對(duì)橡膠履帶相當(dāng)重要。

圖1 整體式橡膠履帶示意

20世紀(jì)70—80年代，橡膠履帶主要用于農(nóng)用收割機(jī)、工程機(jī)械和運(yùn)輸車(chē)輛等領(lǐng)域，但隨著材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，近年來(lái)橡膠履帶也逐漸拓展到軍事裝備領(lǐng)域，因此對(duì)橡膠履帶的膠料性能，例如抗切割性能、生熱性能及使用壽命等要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。本工作主要研究主體材料、補(bǔ)強(qiáng)體系和硫化體系等配方因素對(duì)整體式履帶膠料抗切割性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，泰國(guó)泰華橡膠樹(shù)膠有限公司產(chǎn)品；丁苯橡膠（SBR），牌號(hào)1502，中國(guó)石油吉林石化公司產(chǎn)品；抗硫化返原劑SR534D和Y-GL，上海君宜化工有限公司產(chǎn)品；抗撕裂助劑AD-1600，上海怡創(chuàng)化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 基本配方

NR/SBR 100，補(bǔ)強(qiáng)體系 48，氧化鋅 5，硬脂酸 2，古馬隆樹(shù)脂 5，防老劑 5，硫化體系3.7，其他 3.3。

1.3 主要設(shè)備和儀器

CF-1L密煉機(jī)，東莞市昶豐機(jī)械科技有限公司產(chǎn)品；160×320型開(kāi)煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；Y33-50A型平板硫化機(jī)，江西萍鄉(xiāng)無(wú)線電專用設(shè)備廠產(chǎn)品；RCC-1型橡膠動(dòng)態(tài)抗切割試驗(yàn)機(jī)，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

采用兩段混煉工藝。一段混煉在密煉機(jī)中加入生膠、活化劑、防老劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等混煉均勻，二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上加入一段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑混煉均勻。膠料硫化條件為150 ℃×20 min。

1.5 性能測(cè)試

膠料的抗切割性能采用動(dòng)態(tài)切割量表征，其測(cè)試方法為采用具有一定沖擊力的刀具，以固定頻率2 Hz反復(fù)撞擊旋轉(zhuǎn)速度為720 r·min-1的圓形試樣，記錄試驗(yàn)20 min后試樣的質(zhì)量變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 主體材料

整體式履帶膠料主體材料采用NR/SBR并用。考察NR/SBR并用比對(duì)膠料阿克隆磨耗量和動(dòng)態(tài)切割量的影響。NR/SBR并用比為100/0，90/10，80/20，70/30的膠料（采用炭黑N219）阿克隆磨耗量分別為1.47，1.41，0.37，0.26 cm3，動(dòng)態(tài)切割量分別為2.54，2.77，3.01，3.55 g。

上述結(jié)果表明，隨著SBR并用量增大，膠料的磨耗量逐漸減小，耐磨性能提高，但動(dòng)態(tài)切割量逐漸增大，抗切割性能下降。從分子結(jié)構(gòu)分析，SBR較NR分子中有位阻較大的苯環(huán)側(cè)基，其沖擊韌性和抗撕裂性較差，在SBR并用量較大時(shí)膠料的動(dòng)態(tài)切割量較大，抗切割性能較差。NR/SBR并用比為80/20時(shí)，膠料的耐磨和抗切割性能較好。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)體系

2.2.1 炭黑

主要考察幾種細(xì)粒子炭黑對(duì)膠料抗切割性能的影響。采用炭黑N219，N234，N330，DZ-13的膠料（NR/SBR并用比為80/20，下同）的動(dòng)態(tài)切割量分別為3.04，2.58，2.82，2.79 g。炭黑DZ-13用量為12，22，27，32，42份的膠料（采用15份白炭黑921，無(wú)古馬隆樹(shù)脂）的動(dòng)態(tài)切割量分別為3.80，3.38，2.87，2.36，1.98 g。

上述結(jié)果表明：這4種炭黑對(duì)膠料抗切割性能影響由好到壞的順序?yàn)樘亢贜234，DZ-13，N330，N219，這基本上與炭黑對(duì)膠料補(bǔ)強(qiáng)性能影響的規(guī)律相近[2]；隨著炭黑用量增大，膠料的動(dòng)態(tài)抗切割性能提高。這是因?yàn)殡S炭黑用量增大，膠料的抗撕裂性能和抗切割性能逐漸提高。炭黑N234的比表面積和結(jié)構(gòu)度均很高，補(bǔ)強(qiáng)性最好，其膠料的抗撕裂強(qiáng)度最高，抗切割性能最好；炭黑DZ-13和N330補(bǔ)強(qiáng)性次之，而炭黑N219雖然比表面積較炭黑N330小，但其結(jié)構(gòu)度較低，補(bǔ)強(qiáng)性最差，因此其膠料抗切割性能最差。

2.2.2 白炭黑

保證炭黑（N219）與白炭黑總用量一定（48份），考察采用15份白炭黑921和7000GR對(duì)膠料抗切割性能的影響。

未添加白炭黑、添加15份白炭黑921和添加15份白炭黑7000GR膠料的動(dòng)態(tài)切割量分別為3.04，2.77，2.55 g。

上述結(jié)果表明，添加白炭黑可提高膠料的抗切割性能，與未添加白炭黑的膠料相比，添加15份白炭黑921的膠料動(dòng)態(tài)切割量減小10%，添加15份白炭黑7000GR的膠料動(dòng)態(tài)切割量減小16%?？梢?jiàn)，白炭黑7000GR的補(bǔ)強(qiáng)效果優(yōu)于白炭黑921。這主要是因?yàn)榕c炭黑相比，白炭黑表面氫鍵作用強(qiáng)，形成的聚集體比炭黑牢固，結(jié)構(gòu)度和比表面積較大，可提高膠料的拉伸強(qiáng)度及抗撕裂性能，進(jìn)而提高抗切割性能；白炭黑7000GR屬于高分散性白炭黑，具有獨(dú)特的聚集體結(jié)構(gòu)，分散和補(bǔ)強(qiáng)效果比白炭黑921好，因此添加白炭黑7000GR的膠料抗切割性能優(yōu)于添加白炭黑921的膠料。

2.3 硫化體系

考察硫化體系的類型及促進(jìn)劑用量對(duì)膠料抗切割性能的影響。采用普通硫化體系（CV）、半有效硫化體系（SEV）、有效硫化體系（EV）膠料（采用33份炭黑N219和15份白炭黑921，無(wú)古馬隆樹(shù)脂）的動(dòng)態(tài)切割量分別為2.43，2.96，3.75 g，溶脹指數(shù)分別為3.18，2.63，2.27。SEV體系促進(jìn)劑CZ用量為1.5，1.7，1.9，2.1份的膠料（采用33份炭黑N219、15份白炭黑921和1.6份硫黃，無(wú)古馬隆樹(shù)脂）的動(dòng)態(tài)切割量分別為2.96，3.10，3.40，3.60 g。

上述結(jié)果表明，CV膠料的抗切割性能最好，SEV膠料次之，EV膠料最差。從形成的硫化鍵類型來(lái)看，CV生成的大多數(shù)為多硫鍵，鍵長(zhǎng)且柔順，受到外力時(shí)易發(fā)生互換重排，提高了膠料抵抗應(yīng)力集中的能力，因此膠料的抗切割性能較好；EV形成的硫化鍵以單硫鍵和雙硫鍵為主，鍵短且剛性大，受外力易斷裂，因此膠料的抗切割性能較差。

從SEV體系促進(jìn)劑CZ用量的影響看，隨著交聯(lián)程度增大，膠料的抗切割性能下降[3]，這與硫化體系的影響結(jié)果相對(duì)應(yīng)，即CV膠料的溶脹指數(shù)最大，說(shuō)明其交聯(lián)程度最低，抗切割性能最好，而EV膠料的溶脹指數(shù)最小，說(shuō)明其交聯(lián)程度最高，抗切割性能最差。

2.4 功能助劑

主要考察2種功能助劑對(duì)膠料抗切割性能的影響。未添加功能助劑、添加1份抗硫化返原劑SR534D和添加1份抗硫化返原劑SR534D/2份抗撕裂助劑AD-1600的膠料（采用32份炭黑DZ-13、15份白炭黑921、3.4份硫化體系和2.3份其他助劑，無(wú)古馬隆樹(shù)脂）的動(dòng)態(tài)切割量分別為2.95，2.53，2.26 g。

上述結(jié)果表明，與未添加功能助劑的膠料相比，添加抗硫化返原劑SR534D的膠料動(dòng)態(tài)切割量減小14%，添加抗硫化返原劑/抗撕裂助劑AD-1600的膠料則減小23%?？沽蚧翟瓌㏒R534D為新型多官能丙烯酸酯類化合物，可生成新的交聯(lián)鍵，補(bǔ)償硫化返原時(shí)斷裂的交聯(lián)鍵，從而保證膠料的物理性能；抗撕裂助劑AD-1600是帶功能基團(tuán)的烴類樹(shù)脂，可以顯著提高膠料的抗龜裂和撕裂性能，因此添加抗硫化返原劑SR534D/抗撕裂助劑AD-1600均有利于膠料抗切割性能的提高。

3 結(jié)論

（1）NR與SBR并用可提高膠料的耐磨性能，但對(duì)抗切割性能不利，NR/SBR并用比為80/20的膠料耐磨性能和抗切割性能較好。

（2）膠料的抗切割性能隨炭黑用量增大而提高，炭黑種類對(duì)膠料抗切割性能的影響與對(duì)膠料補(bǔ)強(qiáng)性能影響的規(guī)律相近，并用白炭黑有利于改善膠料的抗切割性能。

（3）采用普通硫黃硫化體系的膠料抗切割性能最好，膠料的抗切割性能隨著交聯(lián)程度的增大而降低。

（4）添加抗硫化返原助劑和抗撕裂助劑對(duì)膠料的抗切割性能有利。