CN101475713B - 一种履带式装备用橡胶组合物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种橡胶组合物，具体涉及一种履带式装备用橡胶组合物，该组合物主要成分为氢化丁腈橡胶，辅以不饱和羧酸金属盐等其他辅料。此橡胶组合物具有良好的物理机械性能和耐热氧老化性能，尤其适用于履带式装备的履带胶块，如坦克、装甲车、履带式拖拉机、挖掘机等履带式装备，大大减缓金属履带与地面间的冲击及其引发的噪音，避免金属履带对路面(特别是高等级公路)的破坏。

Description

一种履带式装备用橡胶组合物

技术领域

本发明涉及一种橡胶组合物，具体涉及一种履带式装备用橡胶组合物。

背景技术

履带式装备着地面挂胶可大大减缓金属履带与地面间的冲击及其引发的噪音，避免金属履带对路面(特别是高等级公路)的破坏，有效延长金属履带板的寿命，对乘员和仪器设备能起到防振、吸振等作用。

随着我国国民经济的飞速发展，高等级公路网已经遍布全国。履带式装备使用高等级公路的机会将越来越多。如何保护好这些造价昂贵的路面，是一个非常迫切而重要的课题。所以履带式装备履带板挂胶对国防和国民经济都具有重大的意义。

过度磨耗、崩花和掉块、爆裂、金属与橡胶间的脱粘是造成胶块损坏的主要原因。胶块在装备行驶过程中会受到高应力应变作用，使弹性体产生显著的粘弹滞后现象，剧烈生热。据预测，胶块的内部温升可以达到150℃，最高超过200℃，表面温度也在100℃以上。所以胶块的材料除了要具备优异的耐热老化能力外，其抗张、抗撕、耐磨性、与金属粘合性等能否在高温、高负荷、高动态的工作环境下保持较高水平，是决定胶块寿命长短的关键因素。

现在用的胶块大多是以天然橡胶和丁苯橡胶为基础的混炼胶，其耐老化性能、机械性能、耐高温性能、耐磨性均较差，因此急需新型的一种胶块来弥补这一空白。

发明内容

针对现有各种履带式装备着地面挂胶存在的诸多问题，本发明提供了一种橡胶组合物，具体提供了一种履带式装备用橡胶组合物，该组合物主要成分为氢化丁腈橡胶，辅以不饱和羧酸金属盐等其他辅料。此橡胶组合物具有良好的物理机械性能和耐热氧老化性能，尤其适用于履带式装备的履带胶块，如坦克、装甲车等履带式装备，也适合于现有的履带式拖拉机、挖掘机的使用。

本发明所涉及的履带式装备用橡胶组合物，组合物中的组分以重量份计：氢化丁腈橡胶100份，不饱和羧酸金属盐5-50份，碳黑5-60份，无机纳米填料0.5-5份，硫化剂0.5-5份。

其优选配比为：

组合物中的组分以重量份计：氢化丁腈橡胶100份，不饱和羧酸金属盐10-15份；碳黑45-50份；无机纳米填料1-2份，硫化剂0.5-5份。

为保障本发明所述材料的各项性能达到均衡性能，上述所有成分都是必须添加的。

对包括氢化丁腈橡胶、天然橡胶、纤维素短纤维补强天然橡胶、天然橡胶/丁腈橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、羧基丁腈橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶在内的橡胶材料研究表明，氢化丁腈橡胶在常用5项性能测试中均超过了其他材料。与传统的丁苯橡胶胶块相比，在120℃时，氢化丁腈橡胶胶块的撕裂强度是前者的2倍，抵抗裂纹增长的能力是前者的4倍，抗崩花掉块能力提高了76％。因此选择氢化丁腈橡胶作为履带式装备挂胶履带胶块的基础材料。

其中本发明所用氢化丁腈橡胶由丁腈橡胶选择性加氢反应制得，氢化丁腈橡胶在大幅度改善耐热氧老化、耐天候性、耐溶剂的同时，胶料的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性能、耐低温性能得以改善，并且在高温下仍能保持较高的物理机械性能，为了达到最好的效果，其在组合物中用量为100份。

氢化丁腈橡胶中丙烯腈重量分数为18-45％，这样有助于保持材料低温性能和耐油性能的平衡性，氢化度为95-100％，较高的氢化度有助于提高材料的耐热氧老化性能，因此控制其氢化度为上述标准，门尼粘度为(ML¹⁰⁰ ₁₊₄)65-90，将门尼粘度限定在这一范围中，可以保证材料具有较好的加工性能，方便后期的加工利用。

具体生产时氢化丁腈橡胶可以利用拜尔公司的Therban商标系列产品和瑞翁公司的Zetpol商标系列产品，优选瑞翁公司的Zetpol1020，其结合丙烯腈含量44％，门尼粘度为(ML1001+4)75；也可选用Therban 3407作为有效的替代。

所用的不饱和羧酸金属盐，其中的不饱和羧酸为丙烯酸或甲基丙烯酸；金属盐为锌盐或镁盐，各种盐可以混合使用，也可以单独使用，单独使用时效果更好；不饱和羧酸金属盐优选甲基丙烯酸锌。不饱和羧酸金属盐用量为5-50份，优选10-15份，特别是采用甲基丙烯酸锌时，优选用量可以达到更好的效果。

之所以选用不饱和羧酸金属盐，主要原因如下：橡胶硫化过程中，在过氧化物存在下，不饱和羧酸金属盐在硫化过程中聚合并部分接枝于橡胶分子链。从而在硫化胶中生成大量的离子交联键，分相后形成纳米粒子(聚盐粒子)，每个纳米粒子就是一个离子簇，由于不饱和羧酸金属盐的二官能度原因，在聚合时形成具有多个支链结构或网状结构的离子聚集体。在聚盐粒子的表面键合有多个橡胶分子链，这样每两个橡胶分子链之间都形成一个离子交联键，但该交联键不单是由一个二价金属离子对形成的，而是由一系列二价金属离子形成的离子键簇构成的。正是由于粒子的这种多官能度交联键簇的作用，提高了硫化胶的交联密度，并由于离子交联键本身具有滑移特征，大大提高了硫化胶的拉伸强度和撕裂强度。离子交联键簇的形成是使不饱和羧酸金属盐对橡胶产生显著增强作用的另一个重要原因。

所述的无机纳米填料为纳米氮化硅或纳米碳化硅，为了达到最佳的使用效果，两种无机纳米填料一般不混合使用，同时填料颗粒平均直径在5-50纳米之间，优选20纳米。纳米氮化硅和碳化硅是优良的橡胶耐磨补强材料。具有小尺度，比表面积大，量子隧道效应等特性。这是依靠超细填料粒子的成核补强效应和裂纹偏转效应来解决耐磨性和撕裂性的思路。添加在橡胶胶料中，通过对橡胶的补强作用，从而提高了橡胶耐磨性能。

纳米非晶氮化硅和非晶碳化硅是优良的橡胶补强材料。由于纳米粉体具有小尺度，比表面积大，量子隧道效应等特性。添加在橡胶胶料当中，能在基本不改变橡胶原有特性的前提下，大幅度的提高耐磨性，耐热性，抗冲击性等力学性能，是航空航天，军工及高档橡胶制品的首选补强材料。同时为了达到其与橡胶之间补强作用的均衡，将其用量控制在重量份为0.5-5份，优选1-2份。

所述的碳黑为高耐磨碳黑或中超耐磨碳黑或超耐磨碳黑或其混合物，选用上述的碳黑，可以有效的提高材料的耐磨性，从而提高由该橡胶制得的挂块的使用寿命；所用的硫化剂为硫磺和过氧化物或其混合物，优选采用硫磺和过氧化物的混合物，其中过氧化物优选过氧化二异丙苯，硫磺用量为0.5-3份，过氧化二异丙苯用量为0.5-3份；硫化剂优选用量为硫磺2份，过氧化二异丙苯用量为0.5份；由于履带式装备胶块在使用过程中受到不同振幅和频率的应力作用，为降低生热，材料应具有良好的动态性能，同时材料还应满足耐热氧老化的要求，使用硫磺硫化体系有助于提高动态性能，而耐热性较差；而过氧化二异丙苯硫化体系则有利于提高耐热氧老化性能，材料的动态性能较差，所以当搭配使用时，可以取得动态性能和耐热氧老化性能的平衡。

除了上述的必要组分外，本发明所提供的履带式装备用橡胶组合物中，还含有防老剂、分散剂、活化剂等其他助剂，其中组合物中防老剂选择长期老化性能和动态疲劳性能较好的4010NA和RD并用防老体系，提高材料耐热氧老化性能，降低屈挠龟裂、臭氧龟裂的发生。4010NA用量为2份和RD用量为0.5份；所采用的分散剂，可以选择莱茵散25，用量为1份；所采用的活化剂，可以选择氧化锌和硬脂酸，活化剂的用量为3-6份。

制备这种履带式装备用橡胶组合物时，其具体的加工方法如下：

(1)将配方用量的组分按照氢化丁腈橡胶、活化剂、促进剂、防老剂、填料、硫化剂顺序加入，混炼均匀薄通后下片待用；

(2)将无机纳米填料按照配方用量加入到上述的混合物中，混合均匀后薄通3次；之后按照配方用量加入不饱和羧酸金属盐，混合均匀后薄通3次；最后加入碳黑，混合均匀；

(3)在上述所得的混合物中按比例加入硫化剂，混炼均匀薄通后下片，停放6-8小时后，即可通过注压硫化成型的方法成型橡胶履带板。

当采用这种加工方法后，可以有利于纳米填料的分散，提高纳米填料的补强效果，同时采用分步加工的方法，可以使各种的补强填料更加紧密的与基料接触，从而在整体上提高所得产品的性能，防止由于填料分散不均引起的产品质量问题。

所制得的这种履带式装备用橡胶组合物，可以制造成各种履带挂块，广泛的应用于各种履带式装备和设备上，大大减缓金属履带与地面间的冲击及其引发的噪音，避免金属履带对路面(特别是高等级公路)的破坏，有效延长金属履带板的寿命，对乘员和仪器设备能起到防振、吸振等作用。

综上所述，采用本发明提供的这种履带式装备用橡胶组合物，由于利用不饱和羧酸金属盐原位生成纳米材料补强氢化丁腈橡胶，再进一步利用无机纳米填料提高材料的耐磨性，通过调整硫化体系和防老体系，使所发明的橡胶组合物具有更好的物理机械性能和热氧老化性能，可以减少履带式装备胶块使用过程中的崩花、掉块问题，提高胶块的耐磨性，延长胶块的使用寿命。

具体实施方式

实施例1

一种履带式装备用橡胶组合物，组合物中的组分为：

材料	组成(kg)	备注
			Zetpol 1020	100	基材
ZnO	5	活化剂
			HSt	1	活化剂
4010NA	2	防老剂
			RD	0.5	防老剂
N115	50	补强剂
			甲基丙烯酸锌	10	补强剂
NSN12氮化硅(粒径20纳米)	1	补强剂
			CZ	0.8	促进剂
S	2	硫化剂
			DCP	0.5	硫化剂
莱茵散25	1	分散剂

其加工方法为：

(1)炼胶：采用常规开炼机，按表1中的基本配方用量，将组合物按照氢化丁腈橡胶、活化剂、促进剂、防老剂的顺序加入，混炼均匀；

将无机纳米填料(NSN12氮化硅)按照配方用量加入到上述的混合物后，混合均匀后薄通3次；之后按照配方用量加入不饱和羧酸金属盐(甲基丙烯酸锌)，混合均匀后薄通3次；最后加入碳黑(N115)，混合均匀；

在上述所得的混合物中按比例加入硫化剂，混炼均匀薄通后下片，停放6-8小时后可进行硫化；

(2)硫化：实施模压硫化，硫化条件为165℃，15分钟，硫化得到橡胶组合物。(所采用的硫化过程为现有技术。)

实施例2-7中的组分如下表所示，其加工方法如实施例1的加工方法。

比较例

将实施例制得的橡胶组合物及从市场上购得的现有产品进行物理机械性能测试，其结果如下：

其中比较例1和2是现有装备橡胶挂块，即现有坦克或履带式拖拉机等采用的常规挂块。

实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5进行比较可以看出，实施例1为本发明的优选配合，所加工的组合物在抗动态疲劳、阿克隆磨耗、拉伸性能等方面具有较好的综合性能。

而与比较例1和2的比较中，可以看到本发明所提供的橡胶组合物在各个检验指标上都有所提高特别是在抗动态疲劳、阿克隆磨耗等技术指标有了极大的提高，可以解决现有橡胶挂块存在的各种问题，提高使用寿命。

Claims (1)

1.一种履带式装备用橡胶组合物，其特征在于：组合物中的组分为：

氢化丁腈橡胶：Zetpol 1020 100kg；

活化剂：ZnO  5kg，硬脂酸1kg；

防老剂 4010NA 2kg，RD 0.5kg；

补强剂：碳黑N115 50kg，甲基丙烯酸锌10kg，NSN12氮化硅1kg；

促进剂：CZ 0.8kg；

硫化剂：S 2kg，DCP 0.5kg；

分散剂：莱茵散25 1kg；

其加工方法为：

(1)炼胶：采用常规开炼机，按上述的配方用量，将组合物按照氢化丁腈橡胶、活化剂、促进剂、防老剂的顺序加入，混炼均匀；

(2)将无机纳米填料：NSN12氮化硅按照配方用量加入到上述的混合物后，混合均匀后薄通3次；之后按照配方用量加入不饱和羧酸金属盐：甲基丙烯酸锌，混合均匀后薄通3次；最后加入碳黑N115，混合均匀；

(3)在上述所得的混合物中按比例加入硫化剂，混炼均匀薄通后下片，停放6-8小时后实施模压硫化，硫化条件为165℃，15分钟，即可得到橡胶组合物；

其中所述NSN12氮化硅的粒径为20纳米。