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提高橡胶制品的耐磨和磨耗原理+

通过配方设计提高耐磨性的途径如下: 
    a、选用耐磨性好的胶种,如聚氨酯橡胶、天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶,氯丁胶、丁腈橡胶等。一般磨耗条件下,天然橡胶为好,高温下以丁苯橡胶为好,苛刻条件下(高速)顺丁橡胶为好; 
    b、加粒子小的活性炭黑以提高耐磨性;白色填料以20nm的白炭黑为好。 c、软化剂起操作助剂使用,以帮助填料的分散,一般不宜超过5份; 
    d、加入防老剂能改善胶料耐老化性能,从而间接提高耐磨性,一般环境条件下,在天然橡胶中防老剂AW的耐磨性最好,其次是防老剂D+4010及防老剂D+H。
     1.生胶的微观结构对磨耗的影响较大,当分子链有共轭双键存在时,可使橡胶的耐磨性提高, 如丁苯胶中的苯环上含有共轭双键基团, 它能吸收及分布外界能量,使大分子链不易受到破坏。因此丁苯胶的弹性、强力、耐曲绕性、低温性都差,但耐磨性较好。聚胺脂橡胶含有共轭苯环, 所以在各种橡胶中的耐磨性名列前矛,比天然、丁苯高 4 倍以上。
    丁苯胶与天然胶相比时, 15 度以下天然胶耐磨性好, 15 度以上丁苯胶的耐磨性好。如果耐磨性提高,则抗滑性下降。因此,在弹性起支配作用的温度范围内,耐磨性与抗滑性存在着相反的关系。再生胶及油胶类物质的增多, 耐磨性下降。
    2.炭黑,不同的碳黑品种对配方性能影响不同,如, HAF磨耗量较低,但若与生热无关,则 MPC、ISAF 较为优越,为了研究胶料的耐磨性还须研究生胶与炭黑的关系。
    3.防老剂与环境条件。防老剂 AW 的耐磨性最好,防老剂 D+4010 次之。反应性防老剂 4-亚硝基二苯胺( NPDA)可提供天然胶较低的生热,明显地提高耐磨性能。对于胶料具有较高的抗张强度和耐热性, 同时还需要综合平衡耐磨和抗滑性,用氯化丁基橡胶加入 55-65 份超耐磨炉黑的耐磨性最好。但氯化丁基橡胶的硬度稍有降低,这是热分解和硫化返原的结果。
    4.改进橡胶磨耗的方法
    a.表面处理法。用液态或气态的五氟化锑,对丁睛胶进行化学处理,可提高耐磨性 7-9 倍。为了防止处理时强力和伸长率降低, 宜采用气相处理法,保证氟化合物不浸入胶料内层。 
    b.应用硅烷偶联剂主要是白色填充剂与橡胶之间的结合。
    c.使用新型橡胶。如 1.5-反式聚戊烯橡胶。这种橡胶耐磨性能优越,还具有较高的生胶强力和较低的生热性,用做胎面胶与天然橡胶相似。
    d.用丙烯酰胺硫化,采用这种硫化剂硫化的优点是无焦烧的危险,硫化平坦期变宽,适当选用硫化体系还能缩短硫化时间。硫化胶的耐疲劳、 耐热性能有所提高,撕裂性能得到改善, 耐磨性较好, 这是因为结合的丙烯酰胺分子间可生成亚酰胺环的缘故。
    总结:选用适合的高弹性高耐磨的生胶(顺丁、聚氨酯等);提高橡胶的补强填料(细粒径炭黑为佳);提高交联密度;降低橡胶制品的表面摩擦系数(提高表面致密度或表面处理降低摩擦系数);选用附加填料类似硅烷偶联剂或二硫化钼等来改善胶料的磨耗。

磨耗 

耐磨耗性表征硫化胶抵抗摩擦力作用下因表面破坏而使材料损耗的能力:橡胶的磨耗主要以下三种形式:
    1.磨损磨耗
    2.疲劳磨耗
    3.卷曲磨耗
    硫化胶的耐磨耗性与拉伸强度、定伸应力、撕裂强度、疲劳性能以及粘弹性能有关;
    定伸应力对不同类型的磨耗有不同的影响:定伸应力高时,摩擦表面上的凸它压入橡胶深度小,抗变形能力强,摩擦系数小,而且橡胶表面刚性大,不易打皱而引起卷曲,对磨损磨耗和卷曲磨耗有利。
    提高硫化胶的弹性,耐磨耗性也会随之提高。
胶种的影响: 
    在通用的二烯类橡胶中,其硫化胶的耐磨耗性如下:
    顺丁橡胶>溶聚丁苯橡胶>乳聚丁苯橡胶>天然橡胶>异戊橡胶
    顺丁橡胶硫化胶的耐磨耗性随顺式链节(1,4结构)含量的增加而提高;
    丁苯橡胶弹性,拉伸强度、撕裂强度都不如天然橡胶,但却优于天然橡胶,丁苯橡胶耐磨耗性随分子量的增加而提高.;
    丁晴橡胶硫化胶的耐磨耗性比异戊橡胶好,其耐磨性随丙烯晴含量增加而提高,羧基丁晴胶耐磨耗性好;
    乙丙橡胶硫化胶的耐磨耗性,和丁苯橡胶相当,随生胶门尼粘度的提高,其耐磨耗性也随之提高;
    丁基橡胶硫化胶的耐磨耗性,在20度时和异戊橡胶相近;但当温度升至100度时,耐磨耗性急剧降低.丁基橡胶采用高温混炼时,硫化胶的耐磨耗性显著提高;
    以氯磺化聚乙烯为基础的硫化胶,具有较高的耐磨耗性,高温下的耐磨耗也好;
    丙烯酸酯橡胶为基础的硫化胶,比丁晴橡胶硫化胶稍微差一点;
    聚氨酯橡胶是所有橡胶中在常温下耐磨耗性最好的一种,在高温下耐磨耗性急剧下降。
   胶种: 磨耗量/MG
    PUR 0.5-3.5
    NBR 44
    CR: 280
    NR 146
   SBR 177
   IIR 205
硫化体系和耐磨耗性的关系 
    硫化胶的耐磨耗性随硫化剂用量增大有一个最大值,耐磨耗性达到最佳状态时的最佳硫化程度,随碳黑用量增大及结构性提高而降低。
    一般硫磺+促进剂CZ体系的耐磨耗性比较好,
    以DTDM+硫磺(低于1.0份)+促进剂NOBS体系硫化胶耐磨耗性和其他力学性能比较好;
   以硫磺+CZ(主促进剂)+TMTD+DM+D(副促进剂)硫化天然胶时,硫磺用量1.8-2.5份;
   以顺丁胶为主的胶料,硫磺用量为1.5-1.8份。
填充体系和耐磨耗性的关系 
    通常硫化胶的耐磨耗性随碳黑粒径减小,表面活性和分散性的增加而提高;
    在EPDM 胶料中添加50质量份的SAF 和ISAF碳黑的硫化胶,其耐磨耗性比填充等量FEF碳黑的耐磨性提高一倍;
    各种橡胶的最佳填充量:BR》充油SBR》不充油SBR》IR》NR
    用硅烷偶联剂处理的白碳黑也可以提高硫化胶的耐磨耗性。
软化剂对硫化橡胶耐磨耗性的影响 
    通常在胶料中加入软化剂能降低硫化胶的耐磨耗性;
    充油丁苯橡胶(SBR-1712)的硫化胶耐磨耗性比SBR-1500高1-2倍;
   总的来说,在天然橡胶中和丁苯橡胶中采用芳径油,对耐磨耗的损失较小。
耐磨耗性与防护体系的关系 
    在疲劳磨耗的条件下,胶料中添加防老剂可以提高硫化胶的耐磨耗性;
   防老剂最好选用能防止疲劳老化的品种,具有优异的防臭老化的对苯二胺类防老剂,尤其是1019NA,效果突出。防老剂H,DPPD也有防止疲劳老化的效果,但因为喷霜限制其使用。
    防老剂D对NR也有防止疲劳老化的效果,但对SBR无效,在SBR中,防老剂IPPO对其疲劳老化有防护效果;
    除N010NA 外,UOP588(6PPD),DTPD,DPPD/H等也均有一定的防止疲劳老化的效果。
橡胶的磨耗是个比较复杂的力学过程,影响因素也很多。橡胶的磨耗有如下三种形式:一是磨损磨耗:橡胶以较高的摩擦系数与粗糙表面相接触时,摩擦表面上的尖锐粒子不断的切割、扯断橡胶表面层的结果。二是卷曲磨耗:橡胶与光滑的表面接触时,由于摩擦力的作用使橡胶撕裂,撕裂的橡胶小片成卷的脱落。三是疲劳磨耗:橡胶表面层在周期应力作用下产生的表面疲劳而带来的磨损。
橡胶磨耗原理
橡胶的耐磨性从本质上说取决于它的强度、弹性、滞后性质、疲劳性和摩擦性等。拉伸强度是决定橡胶耐磨性的重要性能之一。通常,耐磨性随拉伸强度提高而增强,特别是在粗糙的橡胶表面上摩擦时,耐磨性主要取决于强度值。定伸应力对耐磨性的影响视不同的磨耗形式而异,就磨损磨耗和卷曲磨耗而言,提高定伸应力对耐磨性的影响有利,但对疲劳磨耗则有不利影响。同时,增加橡胶的弹性也会使耐磨耗性提高。
Tg低的橡胶的耐磨性好,橡胶的耐磨性随其Tg的降低而提高,如BR。当生胶分子结构中有共轭体系存在时,可使橡胶的耐磨性提高,如SBR
PU由于其主链有较强的极性,并含有较多的苯环,因此在常温下,它的机械强度和耐磨性在所有的橡胶中是最好的。但是它的耐热性能差,在提高温度时它的耐磨性将急剧下降并且它的生热大,对制造高速制品不利。CRNR的机械强度高,也有较好的耐磨性。
填充补强剂的品种、用量和分散程度对橡胶的耐磨性都有很大的影响。耐磨性与结合胶的含量有直接关系,凡是能够使结合胶增加的因素,均对耐磨性有利。所以,硫化胶的耐磨耗性随炭黑粒径减小、表面活性和分散性的增加而提高,而且有一合适的用量。炭黑的分散性对胶料的磨耗性影响最大。在苛刻的条件下,炭黑的结构性影响显著。偶联剂处理过的填料有利于提高耐磨性。耐磨耗性好的硫化胶,一般硫化胶的拉伸强度和撕裂强度均较好。适量加入有自润滑作用的填料,如云母、聚四氟乙烯粉末,也有利于提高硫化胶的耐磨耗性能。
随交联密度的增加,耐磨性有一个最佳值。轮胎实际使用实验证明,使硫化胶含较多单硫键可提高轮胎在光滑路面上的耐磨性。使用合适的防老剂可以提高耐磨性,特别是在疲劳磨耗的条件下尤为重要。较有效的防老剂有40104010NA4020等。
 
橡胶的摩擦与磨耗
橡胶已被大量用于汽车轮胎、胶带、胶辊、密封件、胶鞋等制品受摩擦和磨耗的部位。橡胶的摩擦和磨耗确保了汽车和机械等设备的性能,而且与安全性、经济性等问题有着密切关系。
产生摩擦的地方必然伴随着磨耗,而该现象一般比较复杂,受多种因素支配。因此,关于摩擦还有许多方面没有统一的解释。但人们对摩擦学(有关摩擦、磨耗、润滑的学问)和摩擦磨耗体系的理解在不断加深。
橡胶的摩擦系数一般比金属大,通过填充炭黑提高其强度和弹性模量,因此,其耐磨耗性也得到提高。此外,橡胶的导热系数比金属材料小,表现出粘弹性性能,因此,当温度稍有变化时其机械性能就会显著改变。再者,与金属相比,橡胶容易产生老化现象。
对摩擦系数出现峰值的问题有几种解释,其中最简单的解释就是接触面积A和剪切强度S随滑动速度v而变化,摩擦力F取决于AS的乘积(见图),并由此出现摩擦系数峰值。
 
橡胶的磨耗形态  橡胶的磨耗形态可分为以下几种类型:
1)磨蚀磨耗(abrasive wear):硬而尖的突起部刮擦橡胶表面产生的磨耗。
2)附着磨耗(adhesive wear):橡胶表面与平滑面摩擦产生的磨耗。
3)疲劳磨耗(fatigue wear):由橡胶表面疲劳引起的磨耗。
4)卷曲磨耗(wear by rollformation):产生卷曲状磨耗粉的磨耗。
5)油污磨耗(oily wear):摩擦面被由摩擦产生的低分子量橡胶所覆盖,与相对的另一面发生相互移动的磨耗,表现出低磨耗率的磨耗。
6)图纹磨耗(pattern wear):橡胶表面一边生成磨损图纹,一边进行磨耗的一种磨耗形态。橡胶在磨蚀磨耗和疲劳磨耗中也产生这种磨耗。
磨耗形态大致就分为以上六种,对橡胶来说,在磨蚀磨耗(1)中往往会产生上述(4)以及(6),几种磨耗复合的情况。
 

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