雙驅動同步齒輪泵式濾膠機濾網過濾對溶聚丁苯橡膠/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 機電工程學院，山東 青島 266042）

濾膠機[1-5]作為高品質膠料擠出成型工藝中的最終環節設備，能夠過濾膠料中混入的雜質，再次細化和分散配合劑，并對橡膠分子鏈有一定的取向作用，經濾膠機過濾的膠料質量提高。

在利用齒輪泵式濾膠機濾膠的過程中，螺桿轉速、齒輪泵轉速、機筒溫度、濾網孔徑以及過濾次數等都會對最終過濾得到的膠料性能產生影響。本工作利用自主研發的雙驅動同步齒輪泵式濾膠機過濾溶聚丁苯橡膠（SSBR）/順丁橡膠（BR）并用膠[6]，研究雙驅動同步齒輪泵式濾膠機對SSBR/BR并用膠的過濾作用以及濾網孔徑對并用膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

SSBR，牌號10，充油37.5份；BR，牌號2000，日本旭化成化學有限公司產品。高分散性白炭黑，山東屹諾新材料有限公司產品。偶聯劑Si69，質量分數為0.5，連云港銳巴化工有限公司產品。氧化鋅、防老劑4020、促進劑CBS和促進劑D，阿拉丁試劑（上海）有限公司產品。硬脂酸，國藥集團化學試劑有限公司產品。硫黃，巴斯夫（中國）有限公司產品。

1.2 配方

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

1.3 主要設備和儀器

雙驅動同步齒輪泵式濾膠機和X（S）0.3型密煉機，青島科技大學產品；濾網，304不銹鋼工業篩網，上海嘉羽五金篩網有限公司產品；SK-168型開煉機，上海雙翼橡塑機械有限公司產品；QLB-400×400×2型平板硫化機，青島亞東機械集團有限公司產品；TCN3-JSC-10型橡膠厚度計，北京中西遠大科技有限公司產品；MM4130C型無轉子流變儀，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；UM-2050型門尼粘度儀和TS2005b型拉力試驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；LX-A型橡膠硬度計，上海六菱儀器廠產品；DH-2050QZ型德墨西亞屈撓龜裂試驗機，東莞宏浦儀器科技有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析儀和GABOMETER-150型動態熱力學分析（DMA）儀，德國GABO公司產品。

1.4 試樣制備

一段混煉在密煉機中進行，冷卻水溫度為40 ℃，轉子轉速為65 r·min-1，填充因數為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，膠料溫度達到150 ℃時 排膠。

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

混煉膠停放24 h后將其裁剪成寬為5 cm的膠條于雙驅動同步齒輪泵式濾膠機中擠出，螺桿轉速為30 r·min-1，齒輪泵轉速為25 r·min-1，機筒溫度為80 ℃[8]。

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

1.5 測試分析

（1）門尼粘度：按照GB/T 1232.1—2016進行測試（每一并用膠測3個試樣，取平均值）。

（2）硫化特性：按照GB/T 16584—1996進行測試，測試溫度為150 ℃，轉動角度為0.5°。

（3）物理性能：硬度按照GB/T 531.1—2008進行測試（每一并用膠測5個試樣，取平均值）；拉伸性能按照GB/T 528—2009進行測試（每一并用膠測5個試樣，取平均值）；耐屈撓性能按照GB/T 13934—2006進行測試，先調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5萬次后停機，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，重新啟動試驗機，再次屈撓5萬次，觀察并記錄試樣的龜裂程度（每一并用膠測10個試樣，取平均值）。

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

（5）動態力學性能：采用DMA儀進行溫度掃描分析，拉伸模式，掃描頻率為10 Hz，靜態應變為5%，靜態應力為70 N，動態應變為0.25%，動態應力為60 N，溫度范圍為-65～65 ℃，升溫速率為2℃·min-1。

2 結果與討論

2.1 門尼粘度和硫化特性

表1示出了雙驅動同步齒輪泵式濾膠機濾網孔徑對SSBR/BR并用膠門尼粘度和硫化特性的 影響。

表1 濾膠機濾網孔徑對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：經過濾膠機濾網過濾后，SSBR/BR并用膠的t10均延長，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的過濾作用對配合劑起到了良好的分散效果，使促進劑分散更加均勻，發揮出更大的作用；隨著濾網孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的t10呈先延長后縮短的趨勢，當濾網孔徑為75 μm時，t10最長，t90呈先縮短后延長的趨勢，當濾網孔徑為75 μm時，t90最短，并用膠的硫化反應最快，獲取最佳性能所需時間最短，說明濾網細化后并用膠的配合劑分散更均勻，加速了并用膠的交聯網絡形成。

在一定程度上，Fmax表征膠料的模量，Fmax越大，膠料的硬度和定伸應力越大；FL表征膠料的流動性，FL越小，膠料的流動性越好；Fmax-FL表征膠料的交聯密度，Fmax-FL越大，膠料的交聯密度越大[9]。從表1還可以看出：隨著濾網孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的Fmax-FL呈先增大后減小的趨勢，當濾網孔徑為150 μm時，Fmax-FL最大，反映出并用膠的交聯密度最大，交聯程度最高，表明濾網過濾對并用膠原有的混亂橡膠分子鏈進行排列，有助于交聯網絡形成。

2.2 物理性能

表2示出了雙驅動同步齒輪泵式濾膠機濾網孔徑對SSBR/BR并用膠物理性能的影響。

表2 濾膠機濾網孔徑對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：經過濾膠機濾網過濾后，SSBR/BR并用膠的物理性能顯著提高；隨著濾網孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的邵爾A型硬度、100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度都呈先增大后減小的趨勢；當濾網孔徑為75 μm時，SSBR/BR并用膠的拉伸強度和撕裂強度達到最大值，分別為14.28 MPa和52 kN·m-1，分別增大了27.5%和33.3%。分析認為：濾網過濾能夠很好地均化并用膠，螺桿的擠壓和濾網的阻力使并用膠承受持續的應力，應力使大量散亂的橡膠分子鏈（段）取向，進而易于更多的橡膠分子鏈（段）相互連接，形成更多的交聯網絡，并用膠的強度因此進一步增大[10]；但這種提升作用并不是無限的，因為過小孔徑的濾網使流經的并用膠所受阻力過大而形成局部紊流，從而導致并用膠的性能降低。

從表2還可以看出：隨著濾網孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的拉斷伸長率也呈先增大后減小的趨勢，這是因為小孔徑的濾網在一定程度減弱了橡膠分子鏈（段）的相對運動，橡膠分子鏈（段）的變形能力也有一定降低；屈撓試樣斷裂個數和屈撓龜裂等級先減小后增大，當濾網孔徑為75 μm時，SSBR/BR并用膠的耐屈撓性能最好。

2.3 Payne效應

圖1示出了雙驅動同步齒輪泵式濾膠機不同濾網孔徑下SSBR/BR并用膠（混煉膠）的彈性模量（G′）-應變曲線。

圖1 濾膠機不同濾網孔徑下SSBR/BR并用膠的G＇-應變曲線Fig.1 G＇-strainc urves of SSBR/BR blend under different screen apertures of rubber filter

從圖1可以看出：在相同應變下，經過濾膠機濾網過濾的SSBR/BR并用膠的G′小于未過濾的SSBR/BR并用膠；隨著應變的增大，SSBR/BR并用膠的G′呈減小趨勢，這一結果符合Payne效應[11-21]；隨著濾網孔徑的減小，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，這說明隨著濾網孔徑的減小，并用膠的Payne效應越來越弱，填料網絡化程度更低。

2.4 動態力學性能

動態力學性是指材料在復合交變作用下產生的力學響應，復合交變不僅包括力的變化，還包括溫度、形變、頻率的變化，力學響應是針對這種變化所作出的反應。橡膠是高彈性材料，具有高彈態特征，在不同的溫度或者力作用下，其狀態 不同。

圖2示出了雙驅動同步齒輪泵式濾膠機濾網孔徑對SSBR/BR并用膠動態力學性能的影響，tanδ為損耗因子，表征外力對并用膠做功時并用膠產生的熱量內耗。

tanδ-溫度曲線上的tanδ峰值對應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）能自由活動的最低溫度，達到這一溫度后膠料由玻璃態轉變為高彈態，因此玻璃化溫度是橡膠分子運動轉變的宏觀體現。從低溫到高溫過程中膠料中的橡膠分子結構形態發生改變，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合更好，需要較高的溫度才能使得橡膠分子鏈（段）松弛而發生狀態改變。從圖2（b）可以看出，濾網孔徑為75 μm時，SSBR/BR并用膠的tanδ峰值最大，玻璃化溫度最高，這說明小孔徑濾網過濾后的并用膠中填料的分散性較好，填料的網絡化程度降低，從而造成tanδ峰值增大。

0 ℃時的tanδ可以用來表征膠料的抗濕滑性能，0 ℃時的tanδ較大，表示膠料的滯后損失較大，抗濕滑性能較好。從圖2（c）可以看出，未經過濾的SSBR/BR并用膠的抗濕滑性能最佳。

圖2 濾膠機濾網孔徑對SSBR/BR并用膠動態力學性能的影響Fig.2 Effect of screen apertures of rubber filter on dynamic mechanical properties of SSBR/BR blend

60 ℃時的tanδ可以用來表征膠料的滾動阻力，60 ℃時的tanδ較小，表示膠料的滯后損失較小，滾動阻力較低。從圖2（d）可以看出，當濾網孔徑為75 μm時，SSBR/BR并用膠60 ℃時的tanδ最小，滾動阻力最低，這說明并用膠在經濾網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 結論

（1）經雙驅動同步齒輪泵式濾膠機過濾后，SSBR/BR并用膠的硫化特性和物理性能改善；隨著濾網孔徑的減小，SSBR/BR并用膠的邵爾A型硬度、100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度都呈先增大后減小趨勢，Payne效應越來越弱。

（2）當雙驅動同步齒輪泵式濾膠機濾網孔徑為75 μm時，SSBR/BR并用膠的拉伸強度和撕裂強度最大，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 ℃時的tanδ最小，滾動阻力 最低。