全輪胎膠粉模壓彈性體性能的研究

盧 娜，辛振祥*

（1.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042；2.青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042）

廢舊橡膠回收利用方式主要包括原形利用、生產再生橡膠、生產膠粉、熱能利用，其中，生產膠粉是我國廢舊橡膠資源化利用的重要方式，但是膠粉應用技術落后嚴重制約了膠粉工業的發展。目前膠粉在橡膠工業中應用一般只是少量摻用在膠料中，以膠粉為主要原料制備橡膠制品是膠粉應用技術研究的重要方向。已有研究者利用粉末成型技術將膠粉轉化為彈性體，這將拓寬膠粉的應用領域。膠粉粉末成型技術是將膠粉與具有反應加工性的粘合材料混合或附著其表面，然后進行模壓、擠出或注塑成型。杜明亮等[1]在膠粉中添加適量雙馬來酰亞胺（BMI），使BMI在成型時發生原位反應而接枝到膠粉表面，在膠粉之間形成交聯結構，從而制備出性能優良的全膠粉彈性體，研究表明成型溫度、時間和BMI用量對膠粉彈性體的物理性能有顯著影響。E.Bilgili等[2]利用模壓成型技術將廢輪胎膠粉直接模壓成具有彈性的全膠粉橡膠板，該橡膠板膠料中不需加入生膠，適用于生產中低檔橡膠制品。Q.Fabrizio等[3]利用模壓成型技術將不同粒徑的廢輪胎膠粒和膠粉直接模壓成型，研究表明適當提高模壓成型壓力或溫度可改善制品的物理性能。A.R.Tripathy等[4]和R.J.Farris等[5]采用高溫高壓燒結成型（HPHTS）技術，在不添加任何助劑的情況下將單一膠種的膠粉制成具有彈性和良好使用性能的橡膠制品。劉娟等[6]研究了全輪胎膠粉模壓成型溫度和時間對模壓膠片性能的影響，并得出當模壓成型溫度為170 ℃、時間為20 min時，模壓膠片的綜合性能最佳。

在相關研究的基礎上，本工作采用傳統高分子材料成型設備并適當改造模壓成型模具，制備全輪胎膠粉彈性體，并研究模壓成型壓力、膠粉活化改性及天然橡膠（NR）作為粘合劑對模壓彈性體性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

全輪胎膠粉，粒徑為0.38 mm，新東岳再生科技資源有限公司產品；NR，牌號SCR2，云南勐臘劍鋒天然橡膠有限公司產品；活化劑450、促進劑NS和硫黃，市售品。

1.2 配方

活化膠粉配方：全輪胎膠粉100，活化劑450 0.7。

1#模壓彈性體配方：全輪胎膠粉（或活化膠粉）100，促進劑NS0.8，硫黃1.2。

2#模壓彈性體配方：全輪胎膠粉93，NR7，促進劑NS0.7，硫黃1.1。

1.3 主要設備與儀器

SHR-10型高速攪拌機，青島德信塑料機械有限公司產品；FN101-1A型密煉機，山東科創電氣科技公司產品；XLB-D400型平板硫化機，浙江湖州東方機械有限公司產品；I-7000S型電子拉力機、GT-X8320M型電子天平和密度儀，臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；DZF-6020型真空干燥箱，鞏義市予華儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 活化膠粉的制備

將全輪胎膠粉和活化劑450加入密煉機，在150 ℃下混合10 min，得到活化膠粉。密煉機轉子轉速為30 r·min-1。

1.4.2 模壓膠片的制備

（1）1#模壓彈性體：膠粉或活化膠粉、促進劑NS、硫黃在高速攪拌機中混合均勻后，在平板硫化機上模壓成型，裁片。模壓溫度為170 ℃，時間為20 min。

（2）2#模壓彈性體：膠粉、NR、促進劑NS、硫黃在密煉機中混合均勻后，在平板硫化機上模壓成型，裁片。模壓溫度為170 ℃，時間為20 min。

1.5 性能測試

模壓彈性體物理性能按相應國家標準進行 測試。

2 結果與討論

2.1 模具改造

全輪胎膠粉的堆積密度為0.311 Mg·m-3，活化膠粉的堆積密度為0.336 Mg·m-3，而橡膠制品的密度一般為1.05～1.20 Mg·m-3[7]。因此，要利用粉末成型技術制備具有使用價值的膠粉模壓制品，在一定溫度和壓力下增大膠粉堆積密度是關鍵。

模壓成型模具選用經過小幅改進的強力片硫化模具。改造后的模具類似于柱壓模具，當4個模腔中只有1個或2個裝滿膠粉，膠粉上鋪墊一個略小于模腔的鐵片，以減小膠粉模壓時的受力面積，增大模壓成型壓力。強力片模具的模腔尺寸為113 mm×82 mm×2 mm，下表面積為92.66 cm2，鐵片面積為90.07 cm2。

2.2 成型壓力對模壓膠片性能的影響

模壓成型過程中通過改變平板硫化機液壓（表壓）和裝模數量來調節模壓成型壓力。當1個模腔裝滿膠粉并在膠粉上鋪墊一個鐵片時，模具受力面積為90.07 cm2；當2個模腔裝滿膠粉并在膠粉上分別鋪墊一個鐵片時，模具受力面積為180.14 cm2；當4個模腔均裝滿膠粉，而膠粉上未加鐵片時，模具受力面積約為400 cm2。

模具受力面積對全輪胎膠粉模壓膠片性能的影響如表1所示。從表1可以看出，在平板硫化機液壓一定（10 MPa）時，減小模具受力面積有利于提高模壓膠片的物理性能。分析認為，在模壓成型過程中，膠粉交聯網絡部分被破壞[1]，而硫化體系會促進交聯反應發生，即降解反應和交聯反應同時進行，在溫度和時間一定時，膠粉交聯鍵的斷裂速度相對穩定，減小模具受力面積使膠粉所受的壓力增大，膠粉再交聯反應程度和有效交聯網絡增加，交聯密度增大，膠粉粒子結合更緊密，模壓膠片的拉伸強度和拉斷伸長率都有所提高。

表1 模具受力面積對全輪胎膠粉模壓膠片性能的影響

硫化機液壓對全輪胎膠粉模壓膠片性能的影響如表2所示。從表2可以看出，固定模具受力面積為90.07 cm2，改變平板硫化機液壓對模壓膠片的物理性能影響較小，這可能是由于液壓變化幅度較小，對膠粉再交聯的影響有限，因此模壓膠片的物理性能沒有明顯變化。

表2 硫化機液壓對全輪胎膠粉模壓膠片性能的影響

2.3 膠粉活化改性對模壓膠片性能的影響

用活化劑450對全輪胎膠粉活化改性得到活化膠粉，考察活化膠粉模壓膠片的性能（采用1#配方）。結果得出，在平板硫化機液壓為10 MPa、模具受力面積為90.07 cm2的條件下，活化膠粉模壓膠片的拉伸強度僅為1.4 MPa，拉斷伸長率僅為70%，肉眼觀察到模壓膠片不密實且易碎。這說明在本研究的配方體系下，膠粉活化改性不利于模壓成型。分析認為，在膠粉活化改性時，在活化劑的作用下活化膠粉表面發生降解。而在膠粉模壓成型過程中，模壓成型壓力和溫度還會使活化膠粉發生一定程度的降解，交聯鍵由外向內進一步斷裂，交聯密度降低。膠粉交聯網絡的降解和新交聯鍵的生成同時進行。本研究中的硫化體系不足以使活化膠粉在活化改性及模壓過程中形成致密的交聯網絡，交聯程度較低，導致模壓膠片物理性能下降。另外，膠粉活化改性后粘度增大，流動性變差，促進劑NS和硫黃在活化膠粉中分散不均勻，也會導致模壓膠片性能下降。活化膠粉的應用技術有待進一步研究。

2.4 NR作為粘合劑對模壓膠片性能的影響

選擇NR作為膠粉表面潤濕改性的粘合劑[7]。NR充分潤濕膠粉，使膠粉由松散的顆粒狀變成表面具有粘性的團狀（如圖1所示）。在一定壓力下，膠粉可以被迅速壓縮成片狀或塊狀（撤掉壓力后，體積略有增大），實現堆積密度增大的目的。使用NR作為粘合劑的膠粉密度為0.792 Mg·m-3，有利于膠粉模壓成型。同時，加入NR使硫化劑分散更均勻，模壓膠片的交聯程度增大。

圖1 NR作為粘合劑的膠粉

NR作為粘合劑對模壓膠片性能的影響如表3所示。從表3可以看出，加入NR的膠粉模壓膠片的物理性能明顯改善，在模具受力面積為90.07 cm2的條件下，拉伸強度提高3.3 MPa，拉斷伸長率提高111%，增幅分別為42.2%和64.5%，這與體系交聯程度增大密不可分；膠片性能可以滿足部分在靜態或低速狀態下使用的橡膠制品的要求。

表3 NR作為粘合劑對模壓膠片性能的影響

3 結論

（1）模壓成型壓力是影響膠粉模壓彈性體性能的重要因素，減小模具受力面積有助于增大模壓成型壓力，使體系交聯程度增大，模壓彈性體物理性能改善。

（2）膠粉活化改性使膠粉降解程度增大，不利于膠粉模壓成型，模壓彈性體性能較差。

（3）以NR作為粘合劑的膠粉模壓彈性體的強伸性能明顯提高，可以滿足部分在靜態或低速狀態下使用的橡膠制品的要求。