CN103205028B - 叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于橡胶技术领域，公开了一种叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料及其制备工艺。其主要技术特征为：在橡胶中添加有机粘土、碳黑、硫化剂、活性剂、促进剂、防老剂。本发明提供的叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料，使用机械共混插层法方法，采用有机粘土部分代替补强碳黑或全部代替钙粉等廉价补强材料。使用有机粘土橡胶复合材料制造的叠层橡胶支座，不仅从根本上解决橡胶支座不耐老化、抗疲劳性能差等质量安全隐患问题，而且不会增加生产成本，提高橡胶基体的耐热性能、抗压缩疲劳性能，并且保持橡胶材料具有较高的断裂拉伸强度和断裂伸长率。

Description

叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于橡胶技术领域，尤其涉及一种叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料及其制备工艺。

背景技术

叠层橡胶支座是一种重要的桥梁配件，主要功能是将桥梁上部结构的反力可靠地传递给墩台，并同时完成梁体结构所需要的水平位移及转角变形，吸收部分振动，减小活载对桥梁结构及墩台的冲击，具有减振、抗震和大变形量等特点。因其性能可靠、结构简单、安装和使用方便、造价较低，大部分桥梁都已使用橡胶支座。但是通过近年来的调查、检测和桥梁病害分析发现，叠层橡胶支座在产品质量上仍然存在较多隐患，由于橡胶支座市场竞争激烈，橡胶等原材料价格暴涨，而投标价格一路下滑，导致部分橡胶支座在生产过程中多用钙粉等廉价填充材料来降低成本，甚至使用再生橡胶，严重影响橡胶支座的产品质量和使用寿命，有些已严重影响了桥梁结构安全性和耐久性。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题就是提供一种保持橡胶材料具有较高的断裂拉伸强度和断裂伸长率，耐热性能高、抗压缩疲劳性能高、使用寿命长、成本低的叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为，叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料包括下列重量份的组分：

橡胶                                          100重量份 

有机粘土                                 10——20重量份

碳黑                                     50——70重量份

硫化剂                                    1——2重量份

活性剂                                    8——10重量份

促进剂                                    3——3.5重量份

防老剂                                    2——3重量份

橡胶为天然橡胶和异戊橡胶混合物，天然橡胶与异戊橡胶的重量比为60——90重量份：10——40重量份；

有机粘土为烷基铵盐和偶联剂复合改性蒙脱土；

碳黑为中超耐磨炉黑ISAF、高耐磨炉黑HAF、快压出炉黑FEF、通用炉黑GPF、高结构半补强炉黑SRF-HS中的一种或几种；

硫化剂为硫磺；

活性剂为氧化锌和硬脂酸；

促进剂为N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺、2-（4-吗啉硫代）苯并噻唑、二硫化四甲基秋兰姆、2-硫醇基苯骈噻唑、2,2'-二硫代二苯并噻唑、二正丁基二硫代氨基甲酸锌中的一种或几种；

防老剂为6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉、4-氨基联苯、N-异丙基-N'-苯基对苯二胺、2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物、3-羟基丁醛-α-萘胺、2,2'-亚甲基-双（4-甲基-6-叔丁基苯酚）中的一种或几种。

本发明要解决的第二个技术问题就是提供叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入10——20重量份有机粘土和三分之一的即17——24重量份碳黑，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入活性剂8——10重量份，防老剂2——3重量份，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至100——120℃时，升栓并保持8——12秒，然后加入剩余三分之二的即33——46重量份碳黑，加压上顶栓，密炼80——100秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入促进剂3——3.5重量份，硫化剂1——2重量份，加压上顶栓，待密炼机中温度升至90——110℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化；硫化温度设定为130——155℃，压力设定为10——15MPa，时间为15——40分钟。

本发明提供的叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料，使用机械共混插层法方法，采用有机粘土部分代替补强碳黑或全部代替钙粉等廉价补强材料。有机粘土复合材料是一种通过有机阳离子改性的层状硅酸盐，其层间距约4——20nm，与橡胶进行复合后，粘土片层以纳米级分散于橡胶基体中，可制得纳米复合材料。由于纳米相尺寸效应、大的比表面积以及强的界面相互作用, 使得纳米复合材料的性能极大地优于相同组分的常规复合材料。在橡胶基体中引入有机粘土，可以显著提高橡胶基体的力学性能、耐热性能、抗压缩疲劳性能等。并且，有机粘土有较大的比表面积以及良好的稳定性，价格低廉，部分代替补强碳黑或全部代替钙粉等填充材料，增大制品体积、降低制造成本。使用有机粘土橡胶复合材料制造的叠层橡胶支座，不仅从根本上解决橡胶支座不耐老化、抗疲劳性能差等质量安全隐患问题，而且不会增加生产成本，提高橡胶基体的耐热性能、抗压缩疲劳性能，并且保持橡胶材料具有较高的断裂拉伸强度和断裂伸长率。

本发明提供的叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料具有以下优点：

1 插层复合技术能够实现橡胶基体与无机物分散相在纳米尺度上的复合，两相界面相互作用强, 使得其复合材料具有优良的力学性能，橡胶基体具有较高的拉伸强度和断裂伸长率。保证叠层橡胶支座在长期承受竖向载荷和水平制动力时，任然保持良好的力学性能；

2 有机粘土橡胶复合材料能够将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与橡胶的韧性、可加工性完美地结合起来。将有机粘土引入橡胶基体中，赋予橡胶基体更加优良的抗老化性能；

3 以少量具有纳米片层结构的有机粘土与橡胶进行插层纳米复合，能显著降低橡胶材料的疲劳生热，延缓疲劳破坏过程，增加叠层橡胶支座的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制造的橡胶支座的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料及其制备工艺作进一步详细说明。

如图1所示，橡胶支座1由本发明提供的叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料2和钢板3交替叠层构成。制备橡胶支座1时，首先将叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料2裁制成片状，其后用粘合剂处理钢板3，然后将叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料2和钢板3在模具中交替层叠，加热使其硫化粘合即可。

实施例1

本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入3重量份有机粘土和10重量份碳黑，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入活性剂10重量份，防老剂4重量份，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至100℃时，升栓并保持8秒，然后加入20重量份碳黑，加压上顶栓，密炼80秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入促进剂3.5重量份，硫化剂0.5重量份，加压上顶栓，待密炼机中温度升至90℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为155℃，压力设定为10MPa，时间为15分钟。

实施例2

本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入11.5重量份有机粘土和17重量份碳黑，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入活性剂8重量份，防老剂3重量份，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至110℃时，升栓并保持10秒，然后加入33重量份碳黑，加压上顶栓，密炼90秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入促进剂2.25重量份，硫化剂1.25重量份，加压上顶栓，待密炼机中温度升至100℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为142.5℃，压力设定为12.5MPa，时间为27.5分钟。

实施例3

本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入20重量份有机粘土和24重量份碳黑，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入活性剂6重量份，防老剂2重量份，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至120℃时，升栓并保持12秒，然后加入46重量份碳黑，加压上顶栓，密炼100秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入促进剂1重量份，硫化剂2重量份，加压上顶栓，待密炼机中温度升至110℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为130℃，压力设定为15MPa，时间为40分钟。

实施例4

本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将60重量份天然橡胶与40重量份异戊橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入3重量份有机粘土和10重量份超耐磨炉黑ISAF，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入8重量份氧化锌和2重量份硬脂酸，1重量份6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉和1重量份2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至110℃时，升栓并保持10秒，然后加入20重量份超耐磨炉黑ISAF，加压上顶栓，密炼90秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1重量份二硫化四甲基秋兰姆，1重量份硫磺，加压上顶栓，待密炼机中温度升至100℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为130℃，压力设定为15MPa，时间为30分钟。

实施例5

本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将80重量份天然橡胶与20重量份异戊橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入5重量份有机粘土和10重量份高耐磨炉黑HAF、6重量份快压出炉黑FEF，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入6重量份氧化锌和1重量份4-氨基联苯和1重量份3-羟基丁醛-α-萘胺，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至110℃时，升栓并保持10秒，然后加入20重量份高耐磨炉黑HAF、14重量份快压出炉黑FEF，加压上顶栓，密炼90秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1重量份二硫化四甲基秋兰姆，1重量份硫磺，加压上顶栓，待密炼机中温度升至100℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为145℃，压力设定为13MPa，时间为20分钟。

实施例6

本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将90重量份天然橡胶与10重量份异戊橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入20重量份有机粘土和12重量份快压出炉黑FEF、3重量份通用炉黑GPF，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入5重量份氧化锌和1.5重量份硬脂酸，2重量份N-异丙基-N'-苯基对苯二胺和1重量份2,2'-亚甲基-双（4-甲基-6-叔丁基苯酚），加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至110℃时，升栓并保持10秒，然后加入23重量份快压出炉黑FEF、7重量份通用炉黑GPF，加压上顶栓，密炼90秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入2重量份2-（4-吗啉硫代）苯并噻唑和1.5重量份2-硫醇基苯骈噻唑， 1.5重量份硫磺，加压上顶栓，待密炼机中温度升至100℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为150℃，压力设定为12MPa，时间为30分钟。

实施例7

本发明叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份天然橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入10重量份有机粘土和12重量份半补强炉黑SRF-HS、12重量份高耐磨炉黑HAF，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入4重量份氧化锌和2重量份硬脂酸，2重量份6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉和2重量份3-羟基丁醛-α-萘胺，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至110℃时，升栓并保持10秒，然后加入23重量份半补强炉黑SRF-HS、23重量份高耐磨炉黑HAF，加压上顶栓，密炼90秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入2重量份二正丁基二硫代氨基甲酸锌和1重量份N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，0.5重量份硫磺，加压上顶栓，待密炼机中温度升至100℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为155℃，压力设定为13MPa，时间为15分钟。

抗压弹性模量和抗剪弹性模量为叠层橡胶支座成品性能检测。胶料和成品性能检测见表1。

性能检测

⑴ 拉伸强度和扯断伸长率

按照GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》 试验

⑵ 压缩屈挠生热

按照GB/T 1687-1993 《硫化橡胶在屈挠试验中温升和耐疲劳性能的测定 第2部分 压缩屈挠》试验

⑶ 热空气老化

按照GB3512-2001《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》试验。

⑷支座抗压弹性模量和抗剪弹性模量

按照JT/T 4-2004《公路桥梁板式橡胶支座》试验

表 1胶料和成品性能检测                                                

Claims (2)

1.叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料，其特征在于包括下列重量份的组分：

橡胶                                          100重量份 

有机粘土                                 10——20重量份

碳黑                                     50——70重量份

硫化剂                                    1——2重量份

活性剂                                    8——10重量份

促进剂                                    3——3.5重量份

防老剂                                    2——3重量份 

橡胶为天然橡胶和异戊橡胶混合物，天然橡胶与异戊橡胶的重量比为60——90重量份：10——40重量份；

有机粘土为烷基铵盐和偶联剂复合改性蒙脱土；

碳黑为中超耐磨炉黑ISAF、高耐磨炉黑HAF、快压出炉黑FEF、通用炉黑GPF、高结构半补强炉黑SRF-HS中的一种或几种；

硫化剂为硫磺；

活性剂为氧化锌和硬脂酸；

促进剂为N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺、2-（4-吗啉硫代）苯并噻唑、二硫化四甲基秋兰姆、2-硫醇基苯骈噻唑、2,2'-二硫代二苯并噻唑、二正丁基二硫代氨基甲酸锌中的一种或几种；

防老剂为6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉、4-氨基联苯、N-异丙基-N'-苯基对苯二胺、2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物、3-羟基丁醛-α-萘胺、2,2'-亚甲基-双（4-甲基-6-叔丁基苯酚）中的一种或几种。

2.权利要求1所述的叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料的制备工艺，其特征在于包括下述步骤：

第一步  未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶在双辊筒开炼机上塑炼，辊距调为1mm，包辊打3个三角包，然后加入10——20重量份有机粘土和三分之一的即17——24重量份碳黑，在开炼机上进行机械插层，左右各3刀，打5个三角包；

第二小步  将第一小步中的胶料放入密炼机中，依次加入活性剂8——10重量份，防老剂2——3重量份，加压上顶栓；待密炼机中胶料温度升至100——120℃时，升栓并保持8——12秒，然后加入剩余三分之二的即33——46重量份碳黑，加压上顶栓，密炼80——100秒排胶；一段母炼胶停放8小时；

第三小步  将第二小步中的一段母炼胶投入密炼机中，依次加入促进剂3——3.5重量份，硫化剂1——2重量份，加压上顶栓，待密炼机中温度升至90——110℃时排胶，胶料停放4 小时备用；

第二步  叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化叠层橡胶支座用有机粘土橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化；硫化温度设定为130——155℃，压力设定为10——15MPa，时间为15——40分钟。