正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法研究NR/EPDM共混膠性能

2016-11-14 01:51馮芝娟肖建斌青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東青島266042

橡塑技術(shù)與裝備 2016年1期

馮芝娟，肖建斌（青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266042）

馮芝娟，肖建斌
（青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266042）

通過采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法研究NR/EPDM共混膠的各項(xiàng)性能，通過改變補(bǔ)強(qiáng)劑、軟化劑、促進(jìn)劑用量測試共混膠料的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度、拉斷伸長率、100%定伸應(yīng)力、屈撓性能。結(jié)果表明：硫載體促進(jìn)劑的加入可以提高硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度，使共混膠交聯(lián)更加完全；硫化膠的拉斷伸長率隨著炭黑用量的增加而降低；軟化劑的加入可以降低硫化膠的硬度，也可以提高硫化膠的屈撓次數(shù)。

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法；拉伸強(qiáng)度；撕裂強(qiáng)度；硬度

天然橡膠（NR）彈性比較好，物理機(jī)械性能比較高，還具有良好的加工性能，被廣泛應(yīng)用于各類橡膠制品中。但其分子鏈中含有大量不飽和雙鍵，導(dǎo)致其耐老化性能較差。橡膠工作者通常將其與含有少量雙鍵的三元乙丙橡膠（EPDM）配合，以此改善NR的耐老化性能。但是由于NR與EPDM分子中所含雙鍵數(shù)量相差比較大使得NR/EPDM不能達(dá)到同步硫化。因此在研究過程中，需要充分考慮補(bǔ)強(qiáng)劑、促進(jìn)劑、硫化劑等的種類和用量，而正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法（Orthogonal Design）正是利用正交表進(jìn)行多因素整體設(shè)計、綜合比較和統(tǒng)計分析的一種重要的數(shù)學(xué)方法，目前已廣泛應(yīng)用在橡膠配方設(shè)計中［1］。本實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法研究了NR/EPDM共混膠的各項(xiàng)性能，通過改變補(bǔ)強(qiáng)劑、軟化劑、促進(jìn)劑用量來測試共混膠料的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度、拉斷伸長率、100%定伸應(yīng)力、屈撓性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

天然橡膠，3#煙片，馬來西亞產(chǎn)品；三元乙丙橡膠，EPDM K3960Q，德國朗盛；N330天津卡博特；其它配合劑均為橡膠工業(yè)常用原料。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備與儀器

開放式煉膠機(jī)X（S）K-160，上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司；無轉(zhuǎn)子硫化儀GT-M2000-A，臺灣高鐵科技股份有限公司；電加熱平板硫化機(jī)HS100TFTMO-90，佳鑫電子設(shè)備科技有限公司；電子拉力機(jī)，AI-7000S，臺灣高鐵科技股份有限公司HD-10；測厚儀，上海六菱儀器廠；LX-A型邵氏硬度計，上海六中量儀廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

NR: 60 （3#煙片）； EPDM:40 （K3960Q）；氧化鋅，5；硬脂酸，1.5；防老劑RD，0.9；防老劑MB，0.9；促進(jìn)劑M，1；促進(jìn)劑BZ，0.4；硫化劑S，2；補(bǔ)強(qiáng)劑、軟化劑、硫載體促進(jìn)劑作為變量。

1.4 性能測試

各項(xiàng)性能均按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響因子及水平

選擇補(bǔ)強(qiáng)劑、軟化劑、硫載體作為多因素配方設(shè)計實(shí)驗(yàn)的變量，通過分析測試NR/EPDM共混硫化膠在各種配合體系下的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度、拉斷伸長率、100%定伸、屈撓特性、并由此得出最佳性能配方，如表1所示。

表1 影響因子及水平

2.2 硫化特性和力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)由三因子的第1、2、3列組成，總共排成9組實(shí)驗(yàn)，表2為9組實(shí)驗(yàn)共混膠料的硫化特性。表3為利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法計算9組實(shí)驗(yàn)的硫化特性結(jié)果（如表4所示），A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3分別表示A、B、C列上因子的3水平對應(yīng)的平均數(shù)據(jù)。由表3可以看出，隨著炭黑含量的增加，焦燒時間減少，理論正硫化時間減少，最低扭矩和最高扭矩都升高；隨著軟化劑含量的增加，焦燒時間延長，最低扭矩和最高扭矩都降低；隨著硫載體促進(jìn)劑含量的增加，焦燒時間和理論正硫化時間先降低后增加，最低扭矩最高扭矩都增加。

表2 NR/EPDM共混膠的硫化特性（150 ℃）

表3 硫化特性結(jié)果

表4 實(shí)驗(yàn)的安排和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 NR/EPDM硫化膠各項(xiàng)性能

圖1～圖6中A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3分別表示A、B、C列上因子的3水平對應(yīng)的平均數(shù)據(jù)。

圖1為三個因子與NR/EPDM共混膠的拉伸強(qiáng)度的關(guān)系圖，由圖1可以看出隨著炭黑用量的增加，拉伸強(qiáng)度先增加后下降，這可能是由于炭黑的聚集使膠料產(chǎn)生了Payne效應(yīng)而導(dǎo)致動態(tài)模量的降低［2～3］。并用膠中加入60份炭黑和1份促進(jìn)劑時可使硫化膠取得較高的拉伸強(qiáng)度含硫促進(jìn)劑的加入可使共混膠交聯(lián)更加完全。由圖2可以看出并用膠中加入60份炭黑和0.5份促進(jìn)劑時可使硫化膠取得較高的撕裂強(qiáng)度。

圖1 三個因子與試樣硫化膠拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 三個因子與試樣硫化膠撕裂強(qiáng)度的關(guān)系

圖3為三個因子與NR/EPDM共混膠的拉斷伸長率關(guān)系圖，由圖3可以看出硫化膠的拉斷伸長率隨著炭黑用量的增加而下降，加入50份炭黑可使硫化膠具有較高的拉斷伸長率，這可能是由于共混膠中含膠率隨著炭黑用量的增加而降低，從而導(dǎo)致拉斷伸長率的降低。由圖4可以看出當(dāng)炭黑加入70份時，硫載體促進(jìn)劑加入1份時硫化膠可以取得較高的100%定伸應(yīng)力。定伸應(yīng)力是硫化膠最基本的性能之一，定伸應(yīng)力決定了硫化膠的某些特性，定伸應(yīng)力過大或過小對膠料都有特別顯著地影響，對輪胎膠料而言，定伸應(yīng)力過大，硫化膠的滯后損失能增加，增加汽車油耗；定伸應(yīng)力過小，硫化膠達(dá)不到使用強(qiáng)度［4］。所以采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法可以獲得膠料合適的定伸應(yīng)力。

圖3 三個因子與試樣硫化膠拉斷伸長率的關(guān)系

圖4 三個因子與試樣硫化膠100%定伸的關(guān)系

圖5 三個因子與試樣硫化膠硬度的關(guān)系

圖6 三個因子與試樣硫化膠屈撓特性的關(guān)系

由圖5可以看出硫化膠的硬度隨著炭黑用量的增加而增加，隨著軟化劑用量的增加而降低，填料的加入可以增加膠料的填充體積，獲得較高的硬度，硫載體促進(jìn)劑的加入可以提高膠料的交聯(lián)程度，從而提高硫化膠的硬度。圖6為三個因子與NR/EPDM共混膠屈撓特性的關(guān)系圖，可以看出，軟化劑的加入可以增加硫化膠的屈撓次數(shù)，50份補(bǔ)強(qiáng)劑可以取得較高的屈撓次數(shù)，補(bǔ)強(qiáng)劑增多，硬度提高，屈撓次數(shù)反而降低，這可能是由于隨著膠料填充體積的增加，炭黑約束分子鏈段易斷裂所致。橡膠硬度的提高又會引起膠料屈撓性能的下降［5］。

3 結(jié)論

（1）硫載體的加入可使共混膠的交聯(lián)更加完全，加入60份炭黑可使硫化膠取得較高的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度。

（2）共混膠中加入70份炭黑硫化膠的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)了下降，這可能是由于炭黑的聚集使膠料產(chǎn)生了Payne效應(yīng)而導(dǎo)致了動態(tài)模量的降低。

（3）硫化膠的拉斷伸長率隨著炭黑的增加而降低，硫化膠的硬度隨著炭黑用量的增加而增加，軟化劑的加入可以降低硫化膠的硬度。

（4）軟化劑的加入可以增加硫化膠的屈撓次數(shù)，50份補(bǔ)強(qiáng)劑可以取得較高的屈撓次數(shù)。

［1］張殿榮，辛振祥.現(xiàn)代橡膠配方設(shè)計［J］.化學(xué)工業(yè)出版社.2001:368～379.

［2］ Funt J.Dynamic testing and reinforcement of rubber ［J］. Rubber Chem Tech ，1988 ， 61:842～865.

［3］胡小玲，李明，等.炭黑填充橡膠Payne效應(yīng)的研究［J］.流變學(xué)進(jìn)展（2012）-第十一屆全國流變學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集，157～160.

［4］曹智靈.炭黑對硫化膠基本性能定伸應(yīng)力的影響［J］.貴州化工，2007 ，32（2）：42～44.

［5］趙菲，陳翔.配方因素對高硬度橡膠動態(tài)屈撓性能的影響［J］.世界橡膠工業(yè)，2012，39（6）：10～13.

首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄

2015年10月29日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2015年第二版）》通告（工信部裝〔2015〕360號文件）。

文件指出：為貫徹落實(shí)《中國制造2025》關(guān)于做強(qiáng)中國裝備的總體要求，不斷提高重大技術(shù)裝備創(chuàng)新水平，加快推進(jìn)首臺（套）推廣應(yīng)用，根據(jù)重大技術(shù)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，制定發(fā)布《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2015年第二版）》，本通告自發(fā)布之日起實(shí)施。《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2015年版）》（工信部裝〔2015〕63號）同時廢止。參見表1～3。