CN108641202B - 一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物及其制备方法，采用苯乙烯‑丁二烯类弹性体(SBS或SEBS)、聚丙烯(PP)、丁基橡胶(IIR)、氧化锌、硬脂酸、白炭黑、钛白粉、三氧化二铝、促进剂、硫化剂分别在橡塑密炼机中共混均匀，通过双螺杆挤出机动态硫化生成预交联的丁基橡胶颗粒在高剪切作用下细化分散在苯乙烯‑丁二烯弹性体中，从而得到一种含有丁基橡胶链段的烯烃类热塑性弹性体，该材料能与天然橡胶和合成橡胶按照任意比例共混改性。在天然橡胶与合成橡胶中加入该材料，能保持原有橡胶材料的力学性能和耐磨性，同时具有较好缓冲减震作用，显著提高橡胶材料的摩擦系数。

Description

一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物及其制备方法。利用丁基橡胶优良的缓冲减震及耐热氧老化的特性，可以改善通用二烯类橡胶的摩擦性能、减震性能及使用寿命。选用丁基橡胶作为动态硫化的橡胶材料，配合使用各类填料和加工助剂制备出了一种含有丁基橡胶链段的烯烃类热塑性弹性体，该材料能与天然橡胶和合成橡胶按照任意比例共混改性。在天然橡胶与合成橡胶中加入该材料，能保持原有橡胶材料的力学性能，同时具有较高的耐热氧老化和缓冲减震性能，提高了橡胶材料的摩擦系数。

背景技术

橡胶材料是高分子材料的一种，广泛应用于国民经济的各个领域，包括航空航天，船舶，石油，化工，冶金，建筑，机械，电子，轻工，家电等。橡胶材料的消耗非常大，是一种重要的材料，在我国国民经济和国防工业发展中不可缺少。在当前石油资源和可用能源短缺的情况下，科研工作者们不断的探求满足不同使用条件下的高性能橡胶，一方面降低能耗，节约能源；另一方面提高材料的使用性能及寿命。

橡胶的主要性能指标有：力学性能、耐高低温性能等等，而摩擦性能是橡胶性能中的一个非常重要的性能指标。轮胎要求较高的抗湿滑性能和低的滚动阻力，这些性能与轮胎的滚动摩擦和滑动摩擦、材料内部构成摩擦产生的滞后阻力、胎面上的花纹块拍打道路震动发声耗费的能量以及轮胎在路面上滚动过程中受到的气流阻力等都有一定的关系。除此之外，橡胶的摩擦性能和材料疲劳、磨损磨耗、生热及使用寿命之间也有着密切的联系。

摩擦学是研究相对运动时的两个物体表面相互发生作用，构成等一系列的行为与摩擦、损耗控制的一门科学，是与摩擦、磨损和润滑有关的技术基础科学。摩擦性能在橡胶很多用途中都是评价材料性能优劣的重要指标，而粘弹性又是表征橡胶材料摩擦性的首要相关参数。在摩擦学领域，除了要求材料具有更好的摩擦和磨损性能，同时还应具有好的力学性能、穿着舒适性能和良好的化学稳定性等。

橡胶材料具有良好的摩擦性能才能为鞋子和轮胎带来较好的防滑效果和抓地力，防滑性能的好坏直接关系到了鞋子穿着和轮胎行驶是否安全。鉴于这种情况，近年来市场上出现了一种新型鞋——防滑鞋，给人们的生活和工作带来了一定的保证，对于这种防滑鞋优劣真伪的判定，需要一套专业的精确的检测系统，于是对于鞋底橡胶材料的摩擦系数测试仪的研究也就越来越有必要。摩擦系数的测定，在工业上以及社会生活中的诸多方面都有很广泛的应用需求。

目前国外在止滑性方面的研究归纳起来主要集中在两个方面，止滑性能影响因素和估测鞋子止滑性能标准。国内对鞋底止滑性能的研究主要集中在止滑性能影响因素的探索和鞋底材料、花纹和路面对鞋底止滑性的影响等，鞋底的止滑性直接影响着鞋子穿用时的舒适性和安全性，止滑性主要由摩擦系数来表示，在一定范围内，摩擦系数越大，止滑性越好。杨永杰等对鞋底摩擦系数的测控系统进行设计，初步探讨和实验，系统通过测量作用于鞋的拉力和压力，求得摩擦系数，从而来判断各种鞋子的安全性能。

当前鞋材用橡胶主要以丁苯橡胶和顺丁橡胶为主，丁基橡胶虽然具有良好的减震和损耗性能，但其与通用橡胶链段活动能力相差较大，相容性较差；分子结构中仅含有2％左右的双键，与通用二烯类橡胶硫化速度不同步，导致丁基橡胶与二烯类橡胶共混胶硫化不熟、硫化胶产生大量气泡、力学性能非常低。因此在橡胶鞋底材料中无法使用丁基橡胶，只有将丁基橡胶氯化或溴化后改善了丁基橡胶的活性，才能与通用二烯类橡胶共混使用。关于氯化或溴化丁基橡胶与二烯类橡胶共混改性的研究内容较多，在一种基于丁基橡胶和天然橡胶共混的阻尼材料及其制备方法的专利(CN201310111532.8)中，其所述的丁基橡胶是美国埃默森公司生产的、牌号为3745的丁基橡胶，实际为溴化丁基橡胶。然而丁基橡胶氯化或溴化不但增加了成本，而且导致环保要求不达标。

发明内容

本发明涉及一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物及其制备方法，创造性的解决了丁基橡胶可与二烯类通用橡胶可以按照任意比例共混改性的问题。使用苯乙烯-丁二烯弹性体和聚丙烯作为动态硫化中的热塑性基体材料，选用摩擦系数较高的丁基橡胶作为动态硫化的橡胶材料，配合使用各类填料和加工助剂制备出了一种含有丁基橡胶链段的烯烃类弹性体，该材料能与天然橡胶和合成橡胶按照任意比例共混改性。在天然橡胶与通用合成橡胶中加入该材料，能保持原有橡胶材料的力学性能，同时具有较好的缓冲减震作用，提高橡胶材料的摩擦系数。

本发明解决其技术问题所采用具体技术方案：

a)采用高苯乙烯含量的苯乙烯-丁二烯或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物与聚丙烯混合作为塑性基材，既具有良好的流变特性和力学性能，又具有可重复加工性；

b)在丁基橡胶中加入白炭黑为补强剂，加入硬质颗粒三氧化二铝为填充剂，在橡胶材料表面能生成硬质颗粒，增大橡胶材料的摩擦系数；

c)在丁基橡胶加入合适的促进剂和硫黄用量，在动态硫化过程中，生成交联丁基橡胶颗粒在高剪切作用下细化分散在苯乙烯-丁二烯与聚丙烯的基材中。当促进剂和硫黄用量太大时，容易导致丁基橡胶提前硫化或交联度太大，难以剪切细化成均匀的橡胶交联粒子；当促进剂和硫黄用量太小时，加工时间长而且难以解决丁基橡胶与通用橡胶之间的界面分离。本发明中选用促进剂为N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺(NS)和二正丁基二硫代氨基甲酸锌(BZ)与硫黄并用，在本材料中优选促进剂NS、BZ和硫黄在100份丁基橡胶中比例为1:0.5:0.5。

d)制备方法综合了橡胶与塑料的加工工艺，先把丁基橡胶与各种配合剂在橡胶密炼机中混炼均匀，然后再与苯乙烯-丁二烯与聚丙烯捏合均匀后采用橡胶挤出机挤出造粒，最后再用双螺杆挤出机动态硫化、挤出造粒。

本发明采用高苯乙烯含量的苯乙烯-丁二烯或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物与聚丙烯混合作为塑性基材，既具有良好的流变特性，又具有好的力学性能。苯乙烯-丁二烯类弹性体中苯乙烯含量一般为30-42％，在本材料中优选苯乙烯含量为40％。苯乙烯含量高，弹性体的力学性能和加工性能好，摩擦系数高。

在丁基橡胶中加入白炭黑为补强剂，加入硬质颗粒三氧化二铝为填充剂，加入合适的促进剂和硫黄用量在动态硫化过程中生成交联丁基橡胶颗粒，在高剪切作用下细化分散在苯乙烯-丁二烯弹性体中；丁基橡胶与通用橡胶相比具有较大的摩擦系数，同时三氧化二铝颗粒能增加材料的摩擦系数。

附图说明

图1是本发明的一种提高橡胶材料摩擦系数共混物的生产流程。

其中：密闭型加工设备可为密炼机或双螺杆挤出机，橡胶已预填充硫化剂。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例一：

a)先把丁基橡胶投入橡胶密炼机中热炼，然后加入氧化锌、硬脂酸、白炭黑、钛白粉、三氧化二铝、促进剂NS、促进剂BZ、硫黄混炼均匀后在开炼机上下片，制成丁基橡胶母炼胶备用，其用量配比为:100:5:2:30:5:6:1:0.5:0.5。

b)在密炼机中加入氢化苯乙烯-丁二烯弹性体(SEBS)、无规聚丙烯高温塑化，温度160℃，转子转速50r/min，塑化5分钟，然后加入丁基橡胶母炼胶捏合时间1分钟排料，在橡胶挤出机中造粒冷却；三者比例为35：5：60。

c)将上述挤出造粒的材料加入双螺杆挤出机中动态硫化、挤出、造粒，即得到本发明的材料。双螺杆加料区200℃，塑化区210℃，机头温度205℃，螺杆转速100rpm。

实施例二：

a)先把丁基橡胶投入橡胶密炼机中热炼，然后加入氧化锌、硬脂酸、白炭黑、钛白粉、三氧化二铝、促进剂NS、促进剂BZ、硫黄混炼均匀后在开炼机上下片，制成丁基橡胶母炼胶备用，其用量配比为:100:5:2:30:5:6:1:0.5:0.5。

b)在密炼机中加入苯乙烯-丁二烯弹性体(SBS)、无规聚丙烯高温塑化，温度160℃，转子转速50r/min，塑化5分钟，然后加入丁基橡胶母炼胶捏合时间1分钟排料，在橡胶挤出机中造粒冷却；三者比例为30：10：60。

c)将上述挤出造粒的材料加入双螺杆挤出机中动态硫化、挤出、造粒，即得到本发明的材料。双螺杆加料区200℃，塑化区210℃，机头温度205℃，螺杆转速100rpm。

实施例三：

a)先把丁基橡胶投入橡胶密炼机中热炼，然后加入氧化锌、硬脂酸、白炭黑、钛白粉、三氧化二铝、促进剂NS、促进剂BZ、硫黄混炼均匀后在开炼机上下片，制成丁基橡胶母炼胶备用，其用量配比为:100:5:2:25:5:10:1:0.5:0.5。

b)在密炼机中加入氢化苯乙烯-丁二烯弹性体、无规聚丙烯高温塑化，温度160℃，转子转速50r/min，塑化5分钟，然后加入丁基橡胶母炼胶捏合时间1分钟排料，在橡胶挤出机中造粒冷却；三者比例为30：10：60。

c)将上述挤出造粒的材料加入双螺杆挤出机中动态硫化、挤出、造粒，即得到本发明的材料。双螺杆加料区200℃，塑化区210℃，机头温度205℃，螺杆转速100rpm。

本发明材料的特性

在橡胶鞋底配方中分别加入20份和40份三个实施例所制得的本发明材料，具体配方见表1。

表1不同实施例制备材料在鞋底配方中用量

表2共混材料对力学性能的影响

所得胶料的性能如表2所示，加入20份三个实施例的材料与原橡胶鞋底胶料性能对比，胶料的硬度、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度、定伸应力和耐磨性变化不大，加入40份三个实施例的材料与原橡胶鞋底胶料性能对比，胶料的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性略有降低；回弹性随实施例材料用量的增加而降低，说明胶料具有较好的缓冲减震作用；通过热氧老化后拉伸强度和拉断伸长保持率的对比，可以看出加入实施例中的材料后均有提高。上述数据对比说明采用本发明制备的材料加入到鞋底配方中，对胶料的性能没有太大的影响，创造性的解决了丁基橡胶无法与通用橡胶掺用的问题。

表3为本发明实施例材料对橡胶摩擦性能的影响，由表3可以看出随着实施例材料的加入会大幅度提高鞋底胶料的静摩擦力和静摩擦系数，提高幅度30％以上；对材料动摩擦力和动摩擦系数影响较小，但也提高幅度10％以上，整体随着本发明材料添加量的增加材料动摩擦力和动摩擦系数也表现出增加趋势。在橡胶鞋底配方中加入本发明材料，由于引入丁基橡胶粒子，丁基橡胶组分的出现会使得材料整体损耗因子的提高，损耗因子的提高会使得材料粘附作用和滞后阻力增大，进而会增大材料的摩擦力，提高材料的摩擦系数。

表3共混材料对橡胶摩擦性能的影响

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物，其特征在于，所述共混物与二烯类通用橡胶按照任意比例共混，所述共混物由wt.%表示以下组分组成：苯乙烯-丁二烯类弹性体：25%-35%、聚丙烯：5%-10%、丁基橡胶：40%-50%、氧化锌：1%-3%、硬脂酸：0.5%-1%、白炭黑：10%-15%、钛白粉：2%-3%、三氧化二铝：2%-5%、促进剂：0.5%-0.8%、硫化剂：0.2%-0.3%；所述促进剂为N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺（NS）和二正丁基二硫代氨基甲酸锌（BZ），所述硫化剂为硫黄，促进剂NS、BZ和硫黄在100份丁基橡胶中比例为1:0.5:0.5，所述苯乙烯-丁二烯类弹性体中苯乙烯含量为30-42%；所述苯乙烯-丁二烯类弹性体为苯乙烯-丁二烯或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

2.权利要求1所述的一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物的制备方法，包括以下步骤：a）制备丁基橡胶母炼胶：在密炼加工设备中先把丁基橡胶塑炼，然后加入氧化锌、硬脂酸、白炭黑、钛白粉、三氧化二铝、促进剂、硫化剂，混炼均匀下片备用；b）在密炼机中加入苯乙烯-丁二烯类弹性体、聚丙烯，混炼均匀的丁基母炼胶，捏合均匀后在橡胶挤出机中挤出造粒；挤出温度100℃；c）将上述挤出造粒的材料加入双螺杆挤出机中动态硫化、挤出、造粒。

3.根据权利要求2所述的一种提高橡胶材料摩擦系数的共混物的制备方法，其特征在于：上述步骤c）双螺杆挤出机的参数设置为加料区200℃，塑化区210℃，机头温度205℃，螺杆转速100rpm。

4.一种橡胶共混物，其特征在于：权利要求1-3任一项所述提高橡胶材料摩擦系数的共混物与二烯类通用橡胶按照任意比例共混。

5.根据权利要求4所述的橡胶共混物，其特征在于：所述二烯类通用橡胶包括天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、异戊橡胶。

6.权利要求4或5所述的橡胶共混物的用途，用于提高橡胶材料的表面摩擦系数和有抗干湿滑性能要求的橡胶产品。

7.根据权利要求6所述的橡胶共混物的用途，其特征在于：用于提高橡胶材料的表面摩擦系数和有抗干湿滑性能要求的橡胶产品，包括轮胎胎面胶、鞋底、橡胶履带面胶、传动带。

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