胶料的低温弹性模量变化率研究

davidzhao

胶料的低温弹性模量变化率研究
摘要：本文系统的研究了五种常用胶种的低温弹性模量变化率，并以天然橡胶为主体材料，研究了硫化体系、填充体系和增塑体系对低温弹性模量变化率的影响规律。
关键词：动态热机械性能分析（DMTA）；低温弹性模量变化率。

橡胶的弹性模量是橡胶在一定外力作用下，在一定时间内的应力与应变的比。橡胶材料的弹性模量包括压缩（或拉伸）弹性模量E和剪切弹性模量G，橡胶的弹性模量可以通过计算或一定规格的试样在给定的条件下试验得到。
6 h! ]& o  v+ X4 l1 z2 p在不同种类的橡胶减振器设计计算中，各种橡胶材料的弹性模量是不可缺少的。许多研究者通过试验指出，各种橡胶材料的弹性模量主要决定于橡胶材料的硬度值，而不因为橡胶品种不同或橡胶成分不同而出现明显的变化。品种和成分不同，而硬度相同的橡胶材料，弹性模量的误差一般不超过10％。因此，橡胶减振器的技术条件中，通常不列出弹性模量的值，而只有列出橡胶材料的硬度值，这样便可以通过其它的计算方法或者图表得到橡胶的弹性模量。
橡胶的耐寒性，可定义为在规定的低温下保持其弹性和正常工作的能力。许多橡胶制品经常要在较低的环境温度下进行工作，硫化胶在低温下，由于松弛过程急剧减慢，硬度、弹性模量和分子内摩擦增大，弹性显著降低，致使橡胶制品的工作能力下降，特别是在动态条件下尤为突出[1]。橡胶的弹性模量具有温度依赖性，和绝对温度成比例。
本试验研究主要通过DMTA测定胶料的弹性模量，并对比-35℃下与常温下弹性模量的变化率。主要研究了生胶体系（天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶和三元乙丙橡胶）对低温弹性模量变化率的影响规律，并以天然橡胶为主体生胶，研究了填充体系、硫化体系和增塑体系对低温弹性模量变化率的影响规律。

1         试验部分
1.1 原材料及仪器
1 C  z" K( G. q. @, t2 ~; M6 Z天然橡胶（3#烟片），进口；丁苯橡胶（1502），吉化产；丁腈橡胶（2865），台湾南帝产；氯丁橡胶 B10,日本电气化学产；三元乙丙橡胶 4640，DSM公司产；高耐磨炭黑（N330），天津海豚；其余助剂均为国产工业级。
3 N; q+ {4 Z8 T+ \: q+ P# wYH33-50型50吨四柱油压机，江西萍乡无线电专用设备厂产品；X（S）K-160型开炼机，上海橡胶机械厂产品； CSS-55300型电子万能拉力机，美国TMS公司产品；LX-A型硬度计江都市真威试验机械有限责任公司；UR 2010型无转子硫化仪，台湾育肯科技股份有限公司产品；动态热机械性能分析仪（DMTA-IV）美国流变科仪公司；
1.2 测试方法
DMTA的检测条件是：拉伸模式，频率为2Hz,应变为0.04％，升温速率为3℃/min，测试温度范围在-40℃到25℃。
1.3 试验配方
   不同胶种按照《橡胶工业》手册第三分册公布的基础配方上，加入50份高耐磨炭黑，进行相应的配方设计。
1.4 混炼工艺
基本混炼工艺是：在开炼机上混炼。加料顺序为：
( F/ s6 |" L+ G6 [& G! N* m生胶      炭黑及其它助剂   硫化剂      薄通      下片。
混炼温度为40 ℃至50 ℃，时间为30 min；硫化试片测试。

2         结果与讨论
' c4 J+ e. ~( v5 h+ v2.1 生胶体系对胶料的低温弹性模量变化率影响
本文研究了五种生胶体系（天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶和三元乙丙橡胶）对低温弹性模量变化率的影响规律，得出-35℃下与常温下弹性模量的变化率，结果如图1所示。
$ c5 k8 c9 A, w8 z         
' c% q6 y' E- T" w" Q: V      图1 不同生胶体系对低温弹性模量变化率的影响       图2 不同填充体系对低温弹性模量变化率的影响
' p5 J2 h1 u  k可以发现一个有趣的现象，胶料低温弹性模量变化率最小的是丁苯橡胶，而非天然橡胶，可以理解为，天然橡胶在低温-35℃下发生低温结晶的程度较大，虽然胶料的玻璃化转变温度在五种胶料中最低，但是，因为天然橡胶在低温下的结晶从而导致胶料的低温弹性模量变化率增大。另外，可以看出丁腈橡胶在五种胶料中的低温弹性模量变化率最大。5种胶料的低温弹性模量变化率由小到大的顺序为：SBR、NR、EPDM、CR、NBR。
2.2  填充体系对胶料的低温弹性模量变化率影响
7 I+ x$ U& d: n8 n/ n  X7 i在以生胶天然橡胶的基础上，本文研究了五种填充体系（炭黑110、炭黑330、炭黑550、炭黑770和炭黑990）对低温弹性模量变化率的影响规律，得出-35℃下与常温下弹性模量的变化率，结果如图2所示，可以看出不同的填充体系对低温弹性模量变化率有两个峰值，这说明，炭黑N330和N770时均容易引起天然橡胶的低温结晶现象，从而导致胶料的低温弹性模量变化率增大。炭黑N550和N990胶料中，低温弹性模量变化率相对较低，所以，当我们在设计产品胶料配方时，为了避免胶料的低温弹性模量变化率过大要注意所使用的胶料粒径大小。
1 }% a$ n, ~4 |* U8 g' `! q2.3  硫化体系对胶料的低温弹性模量变化率影响
* q/ y+ |6 v: T+ W& @在生胶为NR的基础上，本文研究了五种硫化体系（高硫高促体系，高硫低促体系，半有效硫化体系，有效硫化体系，含硫促进剂为主的硫化体系）对低温弹性模量变化率的影响规律，得出-35℃下与常温下弹性模量的变化率，结果如图3所示，可以看出,在天然橡胶配方中，硫化体系对低温弹性模量变化率的影响中，低硫高促的硫化体系低温弹性模量变化率最低，含硫促进剂为主的硫化体系次之，这从另一个方面可以理解为，在天然橡胶配方中，单、双硫键不易出现低温结晶现象，进而明显降低了胶料的低温弹性模量变化率。从图3还可以看出，在天然橡胶配方中，高硫高促和半有效硫化体系最易在低温下引起结晶，从而导致胶料的低温弹性模量变化率增大。
2.4  增塑体系对胶料的低温弹性模量变化率影响
在生胶为天然橡胶的基础上，本文系统的研究了五种增塑体系（芳烃油、DBP、DOP、DOS、 TP-95）对低温弹性模量变化率的影响规律，得出-35℃下与常温下弹性模量的变化率，结果如图4所示，可以看出,增塑剂芳烃油低温弹性模量变化率最大，分析原因是因为芳烃油的凝固点较高，从而导致了胶料的低温弹性模量变化率增大。另外，还可以发现一个有趣的现象，其中DOS在降低胶料的玻璃化转变温度方面为这5种增塑剂最好的一种，但是，在低温弹性模量变化率方面却并没有表现出优势，从图4可以看出，增塑剂对低温弹性模量变化率由小到大的顺序是：DBP、DOP、TP-95、DOS、芳烃油。
     
图3  不同硫化体系对低温弹性模量变化率的影响     图4  不同增塑体系对低温弹性模量变化率的影响
. T0 c3 Z! m' u  `+ `% `1.        高硫高促体系，2.高硫低促体系，              
9 ?7 p$ X9 Q0 I) ]! ]: U3. 半有效硫化体系，4.低硫高促体系，
5. 含硫促进剂为主的硫化体系

3         结论
a)        种胶料的低温弹性模量变化率由小到大的顺序为：SBR、NR、EPDM、CR、NBR。5
! |( y8 ^% k1 X7 k+ F8 ub)        炭黑N550和N990胶料中，低温弹性模量变化率相对较低。
6 Y8 @" s3 S. u  `' R& Wc)        低硫高促的硫化体系低温弹性模量变化率最低，含硫促进剂为主的硫化体系次之。
d)        增塑剂对低温弹性模量变化率由小到大的顺序是：DBP、DOP、TP-95、DOS、芳烃油。
' V. Y! D5 ?, Y& V7 z

参考文献：
[1] 张殿荣 辛振祥 .《现代橡胶配方设计》（第二版）.北京：化学工业出版社，190

daqiang886

株洲新时代的一个人写的啊

不知吴

赵工，如果我要选择一种胶在低温的状态下还能很好的震动我该选什么胶，低温下弹性要好的能容易发生震动的那就是选弹性模量小的胶？