邱勁東

（東莞華工佛塑新材料有限公司，廣東 東莞 523000）

混煉型聚氨酯橡膠采用聚酯或聚醚多元醇與二異氰酸酯（如二苯甲烷二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯等）以及鏈增長劑反應(yīng)而成，為無色或淺黃色固體，可利用傳統(tǒng)的橡膠設(shè)備和混煉加工工藝生產(chǎn)?；鞜捫途郯滨ハ鹉z具有優(yōu)異的強(qiáng)度性能、彈性、耐磨性能、耐低溫性能、耐油性能（聚酯型）、耐水性能（聚醚型）和耐臭氧性能等，被廣泛應(yīng)用于膠輥、滾輪、密封件、墊片、刮刀和鞋底等的制造。

聚氨酯橡膠的耐磨性能極為突出。對于混煉型聚氨酯橡膠，在配方設(shè)計(jì)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)其高耐磨性能，需重點(diǎn)考慮補(bǔ)強(qiáng)劑、增塑劑和硫化劑的種類及用量，同時(shí)根據(jù)制品的具體使用環(huán)境和磨耗類型，選擇添加適量的防老劑、石墨、二硫化鉬和碳納米管等。本工作主要探討了混煉型聚氨酯橡膠的耐磨配方設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

聚醚型聚氨酯橡膠，牌號UR101，東莞華工佛塑新材料有限公司產(chǎn)品；炭黑N220，N330和N550，茂名環(huán)星炭黑有限公司產(chǎn)品；沉淀法白炭黑，牌號TOKUSIL-233，連吉化學(xué)工業(yè)有限公司產(chǎn)品；氣相法白炭黑，牌號AEROSIL-200，贏創(chuàng)德固賽公司產(chǎn)品；硅土，牌號SILLITIN-N85，德國霍夫曼公司產(chǎn)品；硬脂酸，牌號SA1801，印尼斯文PT SUMI ASIH公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑A-172，廣州金昌盛科技有限公司產(chǎn)品；硫化劑DCP，阿克蘇諾貝爾過氧化物（寧波）有限公司產(chǎn)品；抗氧劑1076，德國巴斯夫公司產(chǎn)品；碳納米管，蘇州第一元素納米技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開煉機(jī)和XLB-D500×500型平板硫化機(jī)，廣州市番禺橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；GTM2000-A型硫化儀，高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；CMT4104型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳市新三思材料檢測有限公司產(chǎn)品；CJ-6A型橡膠回彈性試驗(yàn)機(jī)，上海正吉橡塑儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；H7-3007型DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)，東莞恒準(zhǔn)儀器科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

將生膠置于XK-160型開煉機(jī)上塑煉后，依次加入硬脂酸、補(bǔ)強(qiáng)劑、增塑劑和防老劑等，控制輥溫為40～60 ℃，加入硫化劑，混煉均勻后，薄通6次，下片、停放。

膠料硫化在XLB-D500×500型平板硫化機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際配方選擇適合的硫化溫度和時(shí)間，壓力為18 MPa，放氣2次。

1.4 性能測試

膠料各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 補(bǔ)強(qiáng)劑的選擇

聚氨酯橡膠自補(bǔ)強(qiáng)性能較差，必須加入補(bǔ)強(qiáng)劑進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，一般補(bǔ)強(qiáng)劑有炭黑、白炭黑和陶土等。本研究選擇了較常用的炭黑N330、沉淀法白炭黑、氣相法白炭黑和硅土進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 補(bǔ)強(qiáng)劑種類對硫化膠物理性能的影響

從表1可以看出：添加補(bǔ)強(qiáng)劑可以大大提高硫化膠的強(qiáng)度，改善耐磨性能；添加炭黑N330和氣相法白炭黑的硫化膠DIN磨耗量較小。后續(xù)試驗(yàn)考察了炭黑N330和氣相法白炭黑用量對硫化膠物理性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 補(bǔ)強(qiáng)劑用量對硫化膠物理性能的影響

從表2可以看出，硫化膠的DIN磨耗量隨著補(bǔ)強(qiáng)劑用量的增大先減小后增大，在補(bǔ)強(qiáng)劑用量為20份左右時(shí)硫化膠的DIN磨耗量較小。這說明硫化膠的磨耗主要是磨損磨耗，磨耗量與硫化膠的主要力學(xué)性能有關(guān)，一般情況下與拉伸強(qiáng)度成反比，隨著回彈值的增大而下降。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)劑用量大于20份時(shí)，硫化膠的拉伸強(qiáng)度有所增大，但回彈值減小，故在耐磨配方設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮各方面的影響。

一般而言，橡膠的耐磨性能隨著填料的結(jié)構(gòu)度、表面活性和分散性的提高而提高。為了進(jìn)一步提高硫化膠的耐磨性能，可以采用結(jié)構(gòu)度和表面活性更高的超耐磨炭黑，如炭黑N110，N220和N234等作為補(bǔ)強(qiáng)劑。如果結(jié)合考慮動態(tài)性能，則建議采用炭黑N550和氣相法白炭黑等。

2.2 增塑劑的選擇

未添加任何補(bǔ)強(qiáng)劑的聚醚型聚氨酯橡膠UR101硫化膠的邵爾A型硬度為52～55度，要獲得更低硬度的硫化膠，必須使用增塑劑。常用的增塑劑有增塑劑DOP（鄰苯二甲酸二辛酯）、DOA（己二酸二辛酯）、DINCH（環(huán)己烷1，2-二甲酸二異壬基酯）等。增塑劑種類及用量對硫化膠DIN磨耗量的影響如表3所示。

表3 不同增塑劑種類及用量的硫化膠DIN磨耗量 cm3

從表3可以看出，不同種類的增塑劑對硫化膠DIN磨耗量的影響略有差別，硫化膠的DIN磨耗量由大到小依次為添加增塑劑DOA，DINCH和DOP的硫化膠。增塑劑DOP作為通用型增塑劑，成本低，綜合性能良好，耐抽出遷移，但因衛(wèi)生和安全問題而在醫(yī)療、食品和兒童玩具等領(lǐng)域被限制使用。增塑劑DINCH無色無味，環(huán)保無毒，具有優(yōu)良的加工性能、低揮發(fā)性、低遷移性和優(yōu)異的低溫性能，因此本研究選擇增塑劑DINCH。

在實(shí)際應(yīng)用中，加入3～5份增塑劑，可以降低硫化膠的表面摩擦因數(shù)，從而改善耐磨性能，尤其對疲勞耐磨性能改善效果更佳。

2.3 硫化劑的選擇

硫化劑種類及用量一般根據(jù)制品厚度、硫化溫度、氣味要求等進(jìn)行選擇。本研究試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

（1）硫化劑DCP（過氧化二異丙苯）為無色或白色結(jié)晶，有較好的焦燒安全性，相應(yīng)硫化膠具有優(yōu)良的物理性能和耐熱性能，缺點(diǎn)是有氣味，適宜的硫化溫度為155～175 ℃，建議用量為1～2份。

（2）硫化劑BIPB（雙叔丁基過氧化二異丙苯，稱為無味DCP）為白色至淡黃色片狀固體或粉末，可以提高硫化膠的耐熱性能，改善抗壓縮變形性能和耐低溫屈撓性能，硫化操作過程及制成品無刺激性臭味，適宜的硫化溫度為165～185 ℃，建議用量為0.8～1.5份。

（3）硫化劑3M（1，1-二叔丁基過氧基-3，3，5-三甲基環(huán)己烷）為無色透明液體，特別適用于透明制品硫化，適宜的硫化溫度為145～165 ℃，建議用量為2～3份。

（4）硫化劑DBPH[2，5-二甲基-2，5-雙（叔丁基過氧基）己烷]為淡黃色液體或膏體或乳白粉體，適合于高溫短時(shí)間硫化制品生產(chǎn)，但不適合厚壁制品，適宜的硫化溫度為165～190 ℃，建議用量為1～2份。

2.4 偶聯(lián)劑和防老劑等的選擇

在白炭黑補(bǔ)強(qiáng)配方中，加入2%～3%白炭黑用量的偶聯(lián)劑A-172或KH560，可以改善白炭黑的分散效果，提高硫化膠的強(qiáng)度和彈性，使制品的DIN磨耗量降低10%～20%。偶聯(lián)劑A-172對硫化膠物理性能的影響如表4所示。

表4 偶聯(lián)劑A-172對硫化膠物理性能的影響

從表4可以看出，添加偶聯(lián)劑A-172的硫化膠強(qiáng)度提高，耐磨性能改善。

聚氨酯橡膠制品的耐熱溫度一般僅為80～100 ℃。在使用過程中，制品受到反復(fù)壓縮、剪切、拉伸等，產(chǎn)生滯后生熱。而聚氨酯橡膠本身散熱較慢，導(dǎo)致熱量積聚，溫度上升，制品表面產(chǎn)生疲勞老化，耐磨性能下降。在配方中添加1～3份碳納米管和0.5～1.5份防老劑（如抗氧劑1076和BHT等），可以提高制品的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，有效防止疲勞老化，提高耐磨性能。

添加固體潤滑劑和減磨性材料，如石墨和二硫化鉬等，可以降低制品的表面摩擦因數(shù)，在某些應(yīng)用方面對提高耐磨性能有一定幫助。一般建議用量為0.5～2份，在混煉的最后階段加入，同時(shí)注意分散效果。

2.5 優(yōu)選配方

經(jīng)過大量的配方試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際使用效果，優(yōu)選出的耐磨性能較好的混煉型聚氨酯橡膠配方如表5所示，相應(yīng)性能如表6所示。

表5 DIN磨耗量較小的混煉型聚氨酯橡膠配方 份

表6 DIN磨耗量較小的混煉型聚氨酯橡膠性能

將優(yōu)選配方膠料應(yīng)用于驗(yàn)鈔機(jī)配件和機(jī)器人腳輪，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、抗刮傷性和優(yōu)異的耐磨性能，大大減小了零件更換頻率，節(jié)約了成本。

3 結(jié)論

在聚醚型聚氨酯橡膠UR101中添加20份左右的炭黑N220或氣相法白炭黑，根據(jù)制品形狀和性能要求選擇合適的硫化劑種類和用量，并加入適當(dāng)?shù)墓柰榕悸?lián)劑、防老劑和碳納米管等，可得到綜合性能良好的硫化膠，其DIN磨耗量一般可控制在50～80 mm3，甚至低至30～40 mm3。