如何设计耐疲劳橡胶的配方？
生胶的种类是耐疲劳破坏的主要因素,主要表现在如下几个方面:
①玻璃化温度(Tg)低的橡胶耐疲劳性较好,因为Tg低的橡胶,其分子链柔顺,易于活动,分子链间的次价力弱。
②有极性基团的橡胶耐疲劳性差,因为极性基团是形成次价键的原因。
③分子内有庞大基团或侧基的橡胶,耐疲劳性差,因为庞大基团或侧链的位阻大,有阻碍分子沿轴向排列的作用。
④结构序列规整的橡胶,容易取向和结晶,耐疲劳性差。对天然橡胶和丁苯橡胶以多次拉伸的方式,进行了疲劳破坏试验。拉伸应变小时,NR的疲劳寿命比SBR的小,这是因为丁苯橡胶的T。高于天然橡胶,其分子的应力松弛机能在此时占支配地位;拉伸应变大时,NR的疲劳寿命比SBR的大。其原因在于天然橡胶具有拉伸结晶性,此时阻碍微破坏扩展占了支配地位。所以在低应变区域,Tg较高的丁苯橡胶,其耐疲劳破坏性优于天然橡胶;而在高应变区域,具有拉伸结晶性的天然橡胶的耐疲劳破坏性较好。可见,NR适合大应变振幅制品,而SBR适合小应变振幅的制品以及压缩制品。
交联剂的用量与疲劳条件有关,对于负荷一定的疲劳条件来说,应增加交联剂的用量。这是因为交联剂(环保促进剂)用量愈大,交联密度就愈大,承担负荷的分子链数目增多,相对每一条分子链上的负荷也相应减轻,从而使耐疲劳破坏性能提高。而对于应变一定的疲劳条件来说,应减少交联剂的用量,因为在应变一定的条件下,交联密度增大,会使每一条分子链的张紧度增大,其中较短的分子链就容易被扯断,结果使耐疲劳破坏性下降。
交联键的类型影响硫化胶的耐疲劳破坏性能。选用容易形成柔性结构交联团相的硫化体系,也即选用容易形成多硫键的硫化体系,能提高硫化胶的耐疲劳破坏性。例如用传统的硫化体系和有效硫化体系硫化的硫化胶,当变形为0~100%时,其疲劳寿命分别为340千次和225千次。
填料的类型和用量对硫化胶耐疲劳破坏性的影响,在很大程度上取决于硫化胶的疲劳条件。选用结构性较高、补强性好的炭黑炭黑粒子周围易产生较多的稠密橡胶相,可提高硫化胶的耐疲劳破坏性。在应变一定的疲劳条件下,增加炭黑用量,耐疲劳破坏性降低,而在应力一定的条件下,增加炭黑用量耐疲劳破坏性提高。活性大、补强性好的炭黑可提高天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶硫化胶的抗裂口扩展强度。在白色填料中,白炭黑可以提高硫化胶的耐疲劳破坏性能。与橡胶没有亲和性的填充剂对硫化胶的耐疲劳破坏性有不良的影响,惰性填料的粒径愈大,填充量愈大,硫化胶的耐疲劳性愈差。
软化增塑剂大都降低拉伸强度及机械损耗,通常可降低硫化胶的耐疲劳破坏性,尤其是黏度低、对橡胶有稀释作用的软化增塑剂,会降低橡胶的玻璃化温度(T),对拉伸结晶不利,因而会对耐疲劳破坏性能产生不良影响。但是反应型软化增塑剂则能增强橡胶分子的松弛特性,使拉伸结晶更容易,反而能提高耐疲劳破坏性。因此在耐疲劳破坏配方设计时,应尽可能选用稀释作用小的黏稠性软化增塑剂,或选用能增强橡胶松弛特性的反应型软化增塑剂。
关于软化增塑剂的用量,一般来说,应尽可能少用,以提高硫化胶的耐疲劳破坏性。但使用能增加橡胶分子松弛特性的软化增塑剂时,增加其用量则能提高耐疲劳破坏性。
橡胶疲劳产生热量,胶料的温度升高,加速热老化,力的作用降低氧化活化能,从而降低疲劳寿命。以不饱和橡胶为基础的硫化胶,在空气中的耐疲劳破坏性比在真空中低,这说明氧化作用能加速疲劳破坏。另外由于硫化胶的疲劳破坏发生在局部表面,因此加入能在硫化胶网络内迅速迁移的防老剂,对硫化胶的长时间疲劳可起到有效的防护作用。但此时应防止防老剂从制品表面上挥发或被介质洗掉。为提高其防护作用的持久性,建议采用芳基烷基和二烷基对苯二胺。防老剂的防护效果还与硫化体系有关,它对硫黄硫化胶防护效果最好,而对过氧化物硫化胶的防护效果最差。当防老剂使用适宜时,天然橡胶硫化胶的临界撕裂能可增加一倍。
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