混炼型耐磨聚氨酯橡胶的配方设计

2018-07-21邱劲东

橡胶科技 2018年11期

邱劲东

（东莞华工佛塑新材料有限公司，广东东莞 523000）

混炼型聚氨酯橡胶采用聚酯或聚醚多元醇与二异氰酸酯（如二苯甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯等）以及链增长剂反应而成，为无色或浅黄色固体，可利用传统的橡胶设备和混炼加工工艺生产。混炼型聚氨酯橡胶具有优异的强度性能、弹性、耐磨性能、耐低温性能、耐油性能（聚酯型）、耐水性能（聚醚型）和耐臭氧性能等，被广泛应用于胶辊、滚轮、密封件、垫片、刮刀和鞋底等的制造。

聚氨酯橡胶的耐磨性能极为突出。对于混炼型聚氨酯橡胶，在配方设计时，为了实现其高耐磨性能，需重点考虑补强剂、增塑剂和硫化剂的种类及用量，同时根据制品的具体使用环境和磨耗类型，选择添加适量的防老剂、石墨、二硫化钼和碳纳米管等。本工作主要探讨了混炼型聚氨酯橡胶的耐磨配方设计。

1 实验

1.1 主要原材料

聚醚型聚氨酯橡胶，牌号UR101，东莞华工佛塑新材料有限公司产品；炭黑N220，N330和N550，茂名环星炭黑有限公司产品；沉淀法白炭黑，牌号TOKUSIL-233，连吉化学工业有限公司产品；气相法白炭黑，牌号AEROSIL-200，赢创德固赛公司产品；硅土，牌号SILLITIN-N85，德国霍夫曼公司产品；硬脂酸，牌号SA1801，印尼斯文PT SUMI ASIH公司产品；偶联剂A-172，广州金昌盛科技有限公司产品；硫化剂DCP，阿克苏诺贝尔过氧化物（宁波）有限公司产品；抗氧剂1076，德国巴斯夫公司产品；碳纳米管，苏州第一元素纳米技术有限公司产品。

1.2 主要设备和仪器

XK-160型开炼机和XLB-D500×500型平板硫化机，广州市番禺橡胶机械厂产品；GTM2000-A型硫化仪，高铁科技股份有限公司产品；CMT4104型微机控制电子万能试验机，深圳市新三思材料检测有限公司产品；CJ-6A型橡胶回弹性试验机，上海正吉橡塑仪器设备有限公司产品；H7-3007型DIN磨耗试验机，东莞恒准仪器科技有限公司产品。

1.3 试样制备

将生胶置于XK-160型开炼机上塑炼后，依次加入硬脂酸、补强剂、增塑剂和防老剂等，控制辊温为40～60 ℃，加入硫化剂，混炼均匀后，薄通6次，下片、停放。

胶料硫化在XLB-D500×500型平板硫化机上进行，根据实际配方选择适合的硫化温度和时间，压力为18 MPa，放气2次。

1.4 性能测试

胶料各项性能均按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 补强剂的选择

聚氨酯橡胶自补强性能较差，必须加入补强剂进行补强，一般补强剂有炭黑、白炭黑和陶土等。本研究选择了较常用的炭黑N330、沉淀法白炭黑、气相法白炭黑和硅土进行对比试验，结果如表1所示。

表1 补强剂种类对硫化胶物理性能的影响

从表1可以看出：添加补强剂可以大大提高硫化胶的强度，改善耐磨性能；添加炭黑N330和气相法白炭黑的硫化胶DIN磨耗量较小。后续试验考察了炭黑N330和气相法白炭黑用量对硫化胶物理性能的影响，结果如表2所示。

表2 补强剂用量对硫化胶物理性能的影响

从表2可以看出，硫化胶的DIN磨耗量随着补强剂用量的增大先减小后增大，在补强剂用量为20份左右时硫化胶的DIN磨耗量较小。这说明硫化胶的磨耗主要是磨损磨耗，磨耗量与硫化胶的主要力学性能有关，一般情况下与拉伸强度成反比，随着回弹值的增大而下降。当补强剂用量大于20份时，硫化胶的拉伸强度有所增大，但回弹值减小，故在耐磨配方设计时需综合考虑各方面的影响。

一般而言，橡胶的耐磨性能随着填料的结构度、表面活性和分散性的提高而提高。为了进一步提高硫化胶的耐磨性能，可以采用结构度和表面活性更高的超耐磨炭黑，如炭黑N110，N220和N234等作为补强剂。如果结合考虑动态性能，则建议采用炭黑N550和气相法白炭黑等。

2.2 增塑剂的选择

未添加任何补强剂的聚醚型聚氨酯橡胶UR101硫化胶的邵尔A型硬度为52～55度，要获得更低硬度的硫化胶，必须使用增塑剂。常用的增塑剂有增塑剂DOP（邻苯二甲酸二辛酯）、DOA（己二酸二辛酯）、DINCH（环己烷1，2-二甲酸二异壬基酯）等。增塑剂种类及用量对硫化胶DIN磨耗量的影响如表3所示。

表3 不同增塑剂种类及用量的硫化胶DIN磨耗量 cm3

从表3可以看出，不同种类的增塑剂对硫化胶DIN磨耗量的影响略有差别，硫化胶的DIN磨耗量由大到小依次为添加增塑剂DOA，DINCH和DOP的硫化胶。增塑剂DOP作为通用型增塑剂，成本低，综合性能良好，耐抽出迁移，但因卫生和安全问题而在医疗、食品和儿童玩具等领域被限制使用。增塑剂DINCH无色无味，环保无毒，具有优良的加工性能、低挥发性、低迁移性和优异的低温性能，因此本研究选择增塑剂DINCH。

在实际应用中，加入3～5份增塑剂，可以降低硫化胶的表面摩擦因数，从而改善耐磨性能，尤其对疲劳耐磨性能改善效果更佳。

2.3 硫化剂的选择

硫化剂种类及用量一般根据制品厚度、硫化温度、气味要求等进行选择。本研究试验得出以下结论。

（1）硫化剂DCP（过氧化二异丙苯）为无色或白色结晶，有较好的焦烧安全性，相应硫化胶具有优良的物理性能和耐热性能，缺点是有气味，适宜的硫化温度为155～175 ℃，建议用量为1～2份。

（2）硫化剂BIPB（双叔丁基过氧化二异丙苯，称为无味DCP）为白色至淡黄色片状固体或粉末，可以提高硫化胶的耐热性能，改善抗压缩变形性能和耐低温屈挠性能，硫化操作过程及制成品无刺激性臭味，适宜的硫化温度为165～185 ℃，建议用量为0.8～1.5份。

（3）硫化剂3M（1，1-二叔丁基过氧基-3，3，5-三甲基环己烷）为无色透明液体，特别适用于透明制品硫化，适宜的硫化温度为145～165 ℃，建议用量为2～3份。

（4）硫化剂DBPH[2，5-二甲基-2，5-双（叔丁基过氧基）己烷]为淡黄色液体或膏体或乳白粉体，适合于高温短时间硫化制品生产，但不适合厚壁制品，适宜的硫化温度为165～190 ℃，建议用量为1～2份。

2.4 偶联剂和防老剂等的选择

在白炭黑补强配方中，加入2%～3%白炭黑用量的偶联剂A-172或KH560，可以改善白炭黑的分散效果，提高硫化胶的强度和弹性，使制品的DIN磨耗量降低10%～20%。偶联剂A-172对硫化胶物理性能的影响如表4所示。

表4 偶联剂A-172对硫化胶物理性能的影响

从表4可以看出，添加偶联剂A-172的硫化胶强度提高，耐磨性能改善。

聚氨酯橡胶制品的耐热温度一般仅为80～100 ℃。在使用过程中，制品受到反复压缩、剪切、拉伸等，产生滞后生热。而聚氨酯橡胶本身散热较慢，导致热量积聚，温度上升，制品表面产生疲劳老化，耐磨性能下降。在配方中添加1～3份碳纳米管和0.5～1.5份防老剂（如抗氧剂1076和BHT等），可以提高制品的导电、导热性能，有效防止疲劳老化，提高耐磨性能。

添加固体润滑剂和减磨性材料，如石墨和二硫化钼等，可以降低制品的表面摩擦因数，在某些应用方面对提高耐磨性能有一定帮助。一般建议用量为0.5～2份，在混炼的最后阶段加入，同时注意分散效果。