CN114395175B - 一种耐磨橡胶材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料技术领域,具体涉及一种耐磨橡胶材料及其制备方法。该橡胶材料拉伸强度≥28Mpa、邵A硬度为80±5、热空气100℃×72h,25%压缩永久变形≤25%、DIN磨耗≤120,具有高强度、高硬度、高耐磨性的特点,同时在使用温度范围内模量较为恒定,具有良好的扭转疲劳性,适用于大载荷下摩擦动密封领域,特别适用于转向拉杆球头球座密封,也可推广应用于具有超耐磨的动态疲劳要求的其它密封领域。

Description

一种耐磨橡胶材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域,具体涉及一种宽温域低摩擦橡胶材料及其制备方法。
背景技术
汽车转向拉杆及球头销是汽车上的重要部件,起着连接转向机构并传递力矩和运动的作用,其强度和可靠性直接关系到汽车行驶安全。国内外汽车上使用的球头,各大系列普遍都存在易磨损、易松旷、材质老化变形、运行摩擦力矩过大且不稳定的缺点。拉杆球头由球头销(球杆)、非金属球碗及球座组成。球头销的球头与球碗/球座的接触压力很大,运动形式包括上下运动,还有转动;过程中既有推力,又有轴向力,还会产生微动摩擦,这就加剧了球头销的磨损。
非金属球碗一般使用高强度塑料或橡胶材料制成。球头与球碗的摩擦导致球碗磨损,长期使用后球碗材料的疲劳和永久变形也会使二者产生间隙,使转向盘自由行程增大,产生异响,汽车操纵失稳。这就要求球碗材料具有良好的强度、硬度、耐磨性及长期抗压缩永久变形性能,同时要求高低温下的模量变化小,从而满足宽温域转向可靠性。
发明内容
本发明针对现有拉杆球头中球碗用材料耐磨性及长期使用疲劳性能不足,提供一种耐磨橡胶材料及其制备方法,所述橡胶材料以弹性较好的丁腈橡胶或氢化丁腈橡胶为橡胶基体,以过氧化物硫化剂为硫化体系、以丙烯酸锌盐类架桥助剂为增硬体系,以高超耐磨炭黑N220或高超耐磨炭黑N220与快压出炉黑N550混合物为补强体系,以特种迁移型润滑剂为润滑体系,以烷基酚甲醛树脂及饱和脂肪酸酯类流动分散剂RL-22为加工助剂,以NAPM(N-4(苯胺基苯基)甲基丙烯酰胺)或RD(2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物)为防老剂,通过混炼、硫化、二段硫化工艺制备橡胶材料。该橡胶材料具有高强度、高硬度、高耐磨性的特点,同时在使用温度范围内模量较为恒定,具有良好的扭转疲劳性,用于拉杆球头球碗可满足10万次使用无磨损。
本发明采用的具体技术方案如下:
一种耐磨橡胶材料,以质量份计,其组分含量为:
所述橡胶基体为丙烯腈含量为25%~35%的中等丙烯腈含量的丁腈橡胶或氢化丁腈橡胶;
所述补强体系为高超耐磨炭黑N220或高超耐磨炭黑N220与快压出炉黑N550的混合物;
所述高超耐磨炭黑N220与快压出炉黑N550的混合物中,高超耐磨炭黑N220质量占比不低于80%;
所述润滑体系为迁出型润滑剂,为油酸酰胺或乙撑双油酸酰胺;
所述加工助剂为烷基酚甲醛树脂和饱和脂肪酸酯类流动分散剂RL-22;
所述防老体系为防老剂NAPM和/或防老剂RD;
所述过氧化物硫化体系为硫化剂双2,5(2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷)或硫化剂DCP(过氧化二异丙苯)或硫化剂BIBP(双叔丁基过氧化二异丙基苯);
所述增硬体系为丙烯酸锌盐类架桥助剂中的一种;
一种耐磨橡胶材料,所述烷基酚甲醛树脂和饱和脂肪酸酯类流动分散剂RL-22,质量比为(2~5):1。
一种耐磨橡胶材料,所述丙烯酸锌盐类架桥助剂为甲基丙烯酸锌、二甲基丙烯酸锌中的一种。
本发明涉及的耐磨橡胶材料制备方法,包括一段混炼、二段混炼、一段硫化和二段硫化,具体步骤如下:
1)根据使用温度范围选择合适的橡胶基体;若低温要求较高时(最低温度<-45℃)可选择丙烯腈含量25%~28%的丁腈橡胶牌号,若高温要求较高(最高温度>120℃)时可选择丙烯腈含量28%~35%的丁腈橡胶或者丙烯腈含量25%~35%的氢化丁腈橡胶;
2)在开炼机上将橡胶基体生胶进行塑炼,然后在密炼机中热胶至70℃~90℃,少量多次加入补强体系,混炼均匀;
3)在步骤2)得到的混炼胶中加入加工助剂,混炼2min左右,再加入润滑体系,混炼2min左右至均匀;
4)步骤3)得到的混炼胶中加入防老体系,混炼均匀出料,出料温度控制在90℃~120℃,薄通后下片;
5)在开炼机上将步骤4)得到的混炼胶中加入增硬体系,混炼均匀后再加入过氧化物硫化体系,混炼薄通使其分散均匀,下片;
6)将步骤5)得到的混炼胶按模具形状预制成坯材半成型品,然后在真空硫化机上硫化,硫化温度160℃~175℃,硫化时间10min~15min;
7)将硫化成型后的试样平铺放入烘箱中进行二段硫化。
一种耐磨橡胶材料制备方法,所述步骤1)~步骤5)中混炼时,加料温度控制在70℃~120℃。
一种耐磨橡胶材料制备方法,所述步骤7)中二段硫化的条件为:橡胶基体为丁腈橡胶,硫化温度(100±5)℃,硫化时间2h;橡胶基体为氢化丁腈橡胶,硫化温度(150±5)℃,硫化时间4h。
通过使用以上原材料和制备方法,最终获得的橡胶材料,经检测,拉伸强度≥28Mpa;邵A硬度为80±5;热空气100℃×72h,25%压缩永久变形≤25%;DIN磨耗≤120;具有高强度、高硬度、高耐磨性的特点,同时在使用温度范围内模量较为恒定,具有良好的扭转疲劳性,用于拉杆球头10万次使用无磨损。解决了现有拉杆球头中球碗用材料耐磨性及长期使用疲劳性能不足的技术问题。
本发明采用丁腈橡胶或氢化丁腈橡胶为橡胶基体,采用过氧化物硫化体系提高体系的抗压缩永久变形性能,增硬体系丙烯酸锌盐类架桥助剂在过氧化物硫化剂硫化时参与交联,形成互穿聚合物网络结构,明显提高胶料强度和硬度;耐磨型补强体系,实现制品良好的耐磨性和高强度、高硬度;常规技术中常使用软化剂改善混炼胶自粘性及加工性能,但加入软化剂会降低橡胶材料硬度,本发明配方未添加软化剂,混炼过程中胶料易发散不易成型,为解决高强高硬橡胶材料成型工艺差的问题,通过加入烷基酚甲醛树脂,赋予橡胶胶料较好的初始粘性,其增粘机理为:烷基酚甲醛树脂中的酚羟基具有一定的极性,羟基上的氢有形成氢键的能力,在胶料混炼过程中能在界面上形成氢键互穿网络结构,从而增加了胶料自粘性;酚环上对位的烷基为非极性基团,具有一定的支化度,柔顺性好,与非极性橡胶分子相容性好。防老剂NAPM由于不饱和键的存在,和橡胶产生接枝交联形成大分子,不易抽出,使得胶料具有防老、耐热、耐介质等特点,该体系胶料耐老化性能优于其他类型防老剂。
本发明涉及的橡胶材料属于高强高硬、耐磨损、低压变抗疲劳橡胶材料,适用于大载荷下摩擦动密封领域,特别适用于转向拉杆球头球座密封,也可推广应用于具有超耐磨的动态疲劳要求的其它密封领域。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明,可以使本领域技术人员更全面的理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
实施例一
一种耐磨橡胶材料,橡胶基体为丙烯腈含量为25%的丁腈橡胶,补强体系为高超耐磨炭黑N220和快压出炉黑N550的混合物,硫化体系为硫化剂BIBP,润滑体系为乙撑双油酸酰胺,增硬体系为甲基丙烯酸锌,加工助剂为烷基酚甲醛树脂和流动性分散剂RL-22,防老体系为防老剂NAPM,以质量份计,各组分含量为:
一种耐磨橡胶材料的制备方法,具体步骤如下:
在开炼机上将生胶塑炼,然后在密炼机中热胶至温度70℃~90℃(不开冷却水),分4次加入高超耐磨炭黑N220和快压出炉黑N550的混合物,至混炼均匀,混炼时间20min左右;然后加入烷基酚甲醛树脂,混炼2min左右,加入流动分散剂RL-22,混炼2min左右,再加入乙撑双油酸酰胺,混炼2min左右至均匀;然后加入防老剂NAPM,混炼均匀后出料,出料温度控制在90℃~120℃,薄通后下片;然后在开炼机上加入甲基丙烯酸锌,混炼均匀后再加入硫化剂BIBP,混炼薄通使其分散均匀,下片;将得到的混炼胶按模具形状预制成坯材半成型品,放在真空硫化机上硫化,硫化条件为(170±5)℃,10min~15min,根据试样厚度硫化时间可进行微调;最后将成型后的试样平铺放入烘箱中进行二段硫化,硫化条件为(100±5)℃,2h。
实施例二
一种耐磨橡胶材料,橡胶基体为丙烯腈含量为35%的丁腈橡胶,补强体系为高超耐磨炭黑N220,硫化体系为硫化剂DCP,润滑体系为油酸酰胺,增硬体系为二甲基丙烯酸锌,加工助剂为烷基酚甲醛树脂和流动性分散剂RL-22,防老体系为防老剂NAPM和防老剂RD的混合体系,以质量份计,各组分含量为:
一种耐磨橡胶材料的制备方法,具体步骤如下:
在开炼机上将生胶塑炼,然后在密炼机中热胶至温度70℃~90℃(不开冷却水),分4次加入高超耐磨炭黑N220至混炼均匀,混炼时间20min左右;然后加入烷基酚甲醛树脂,混炼2min左右,加入流动分散剂RL-22,混炼2min左右,再加入油酸酰胺,混炼2min左右至均匀;先后加入防老剂RD和NAPM,混炼均匀后出料,出料温度控制在90℃~120℃,薄通后下片;然后在开炼机上加入二甲基丙烯酸锌,混炼均匀后再加入硫化剂DCP,混炼薄通使其分散均匀,下片;将得到的混炼胶按模具形状预制成坯材半成型品,放在真空硫化机上硫化,硫化条件为(165±5)℃,10min~15min,根据试样厚度硫化时间可进行微调;最后将成型后的试样平铺放入烘箱中进行二段硫化,硫化条件为(100±5)℃,2h。
实施例三
一种耐磨橡胶材料,橡胶基体为丙烯腈含量为25%的氢化丁腈橡胶,补强体系为高超耐磨炭黑N220,硫化体系为硫化剂BIBP,润滑体系为乙撑双油酸酰胺,增硬体系为二甲基丙烯酸锌,加工助剂为烷基酚甲醛树脂和流动性分散剂RL-22,防老体系为防老剂NAPM,以质量份计,各组分含量为:
制备方法具体步骤如下:
在开炼机上将生胶塑炼,然后在密炼机中热胶至温度70℃~90℃(不开冷却水),分4次加入高超耐磨炭黑N220至混炼均匀,混炼时间20min左右;然后加入烷基酚甲醛树脂,混炼2min左右,加入流动分散剂RL-22,混炼2min左右,再加入乙撑双油酸酰胺,混炼2min左右至均匀;然后加入防老剂NAPM,混炼均匀后出料,出料温度控制在90℃~120℃,薄通后下片;然后在开炼机上加入二甲基丙烯酸锌,混炼均匀后再加入硫化剂BIBP,混炼薄通使其分散均匀,下片;将得到的混炼胶按模具形状预制成坯材半成型品,放在真空硫化机上硫化,硫化条件为(170±5)℃,10min~15min,根据试样厚度硫化时间可进行微调;最后将成型后的试样平铺放入烘箱中进行二段硫化,硫化条件为(150±5)℃,4h。
实施例四
一种耐磨橡胶材料,橡胶基体为丙烯腈含量为35%的氢化丁腈橡胶,补强体系为高超耐磨炭黑N220,硫化体系为硫化剂DCP,润滑体系为油酸酰胺,增硬体系为二甲基丙烯酸锌,加工助剂为烷基酚甲醛树脂和流动性分散剂RL-22,防老体系为防老剂RD,以质量份计,各组分含量为:
制备方法具体步骤如下:
在开炼机上将生胶塑炼,然后在密炼机中热胶至温度70℃~90℃(不开冷却水),分4次加入高超耐磨炭黑N220至混炼均匀,混炼时间20min左右;然后加入烷基酚甲醛树脂,混炼2min左右,加入流动分散剂RL-22,混炼2min左右,再加入油酸酰胺,混炼2min左右至均匀;然后加入防老剂RD,混炼均匀后出料,出料温度控制在90℃~120℃,薄通后下片;然后在开炼机上加入二甲基丙烯酸锌,混炼均匀后再加入硫化剂DCP,混炼薄通使其分散均匀,下片;将得到的混炼胶按模具形状预制成坯材半成型品,放在真空硫化机上硫化,硫化条件为(165±5)℃,10min~15min,根据试样厚度硫化时间可进行微调;最后将成型后的试样平铺放入烘箱中进行二段硫化,硫化条件为(150±5)℃,4h。
实施例五
一种耐磨橡胶材料,橡胶基体为丙烯腈含量为27%的丁腈橡胶,补强体系为高超耐磨炭黑N220和快压出炉黑N550的混合物,硫化体系为硫化剂双2,5,润滑体系为乙撑双油酸酰胺,增硬体系为甲基丙烯酸锌,加工助剂为烷基酚甲醛树脂和流动性分散剂RL-22,防老体系为防老剂NAPM,以质量份计,各组分含量为:
制备方法具体步骤如下:
在开炼机上将生胶塑炼,然后在密炼机中热胶至温度70℃~90℃(不开冷却水),分4次加入高超耐磨炭黑N220和快压出炉黑N550的混合物至混炼均匀,混炼时间20min左右;然后加入烷基酚甲醛树脂,混炼2min左右,加入流动分散剂RL-22,混炼2min左右,再加入乙撑双油酸酰胺,混炼2min左右至均匀;然后加入防老剂NAPM,混炼均匀后出料,出料温度控制在90℃~120℃,薄通后下片;然后在开炼机上加入甲基丙烯酸锌,混炼均匀后再加入硫化剂双2,5,混炼薄通使其分散均匀,下片;将得到的混炼胶按模具形状预制成坯材半成型品,放在真空硫化机上硫化,硫化条件为(170±5)℃,10min~15min,根据试样厚度硫化时间可进行微调;最后将成型后的试样平铺放入烘箱中进行二段硫化,硫化条件为(100±5)℃,2h。
以上实施例制备的橡胶材料的物理性能见下表:
以上结果可知,本发明涉及的耐磨橡胶材料的强度≥28MPa,邵A硬度≥75,而且该胶料还具有低温弹性好,常温至低温的模量变化小的特点,可解决制品低温时扭矩急剧增加,影响专项平顺性的问题;同时该胶料的阿克隆磨耗和DIN磨耗性能良好,拉杆球头总成试验10万次无掉屑,力矩平稳,是理想的高载荷动态扭转用耐磨材料,适用于大载荷下摩擦动密封领域,特别适用于转向拉杆球头球座密封,也可推广应用于具有超耐磨的动态疲劳要求的其它密封领域。

Claims (6)

1.一种耐磨橡胶材料,其特征在于:以质量份计,其组分含量为:
橡胶基体 100 份
补强体系 50~70 份
过氧化物硫化体系 2~8 份
增硬体系 2~5 份
润滑体系 2~5 份
加工助剂 6~12 份
防老体系 1~4 份,
所述橡胶基体为丙烯腈含量为25%~35%的中等丙烯腈含量的丁腈橡胶或氢化丁腈橡胶;所述补强体系为高超耐磨炭黑N220、高超耐磨炭黑N220 与快压出炉黑N550 的混合物中的一种;所述润滑体系为油酸酰胺或乙撑双油酸酰胺;所述加工助剂为烷基酚甲醛树脂和饱和脂肪酸酯类流动分散剂RL-22,烷基酚甲醛树脂和饱和脂肪酸酯类流动分散剂RL-22的质量比为(2~5):1;所述防老体系为防老剂NAPM 和/或防老剂RD;所述过氧化物硫化体系为硫化剂双2,5或硫化剂DCP 或硫化剂BIBP;所述增硬体系为丙烯酸锌盐类架桥助剂中的一种。
2.根据权利要求 1 所述的耐磨橡胶材料,其特征在于:所述高超耐磨炭黑N220与快压出炉黑N550 的混合物中,高超耐磨炭黑N220 质量占比不低于80%。
3.根据权利要求 1 所述的耐磨橡胶材料,其特征在于:所述丙烯酸锌盐类架桥助剂为甲基丙烯酸锌、二甲基丙烯酸锌中的一种。
4.一种权利要求1所述耐磨橡胶材料的制备方法,包括混炼、硫化和二段硫化,其特征在于:具体步骤如下:
1)根据使用温度范围选择合适的橡胶基体;
2)在开炼机上将橡胶基体生胶进行塑炼,然后在密炼机中热胶至 70℃~90℃,少量多次加入补强体系,混炼均匀;
3)在步骤 2)得到的混炼胶中加入加工助剂,混炼 2min 左右,再加入润滑体系,混炼2min 左右至均匀;
4)在步骤 3)得到的混炼胶中加入防老体系, 混炼均匀出料,出料温度控制在 90℃~120℃,在开炼机上薄通后下片;
5)在开炼机上将步骤 4)得到的混炼胶中加入增硬体系,混炼均匀后再加入过氧化物硫化体系,混炼薄通使其分散均匀,下片;
6)将步骤 5)得到的混炼胶按模具形状预制成坯材半成型品,然后在真空硫化机上硫化,硫化温度160℃~175℃,硫化时间10 min~15min;
7)将硫化成型后的试样平铺放入烘箱中进行二段硫化。
5.根据权利要求 4 所述的耐磨橡胶材料制备方法,包括混炼、硫化和二段硫化,其特征在于:所述步骤 1)~步骤 5)中混炼时,加料温度控制在70℃~120℃。
6.根据权利要求 4 所述的耐磨橡胶材料制备方法,包括混炼、硫化和二段硫化,其特征在于:所述步骤 7)中二段硫化的条件为:橡胶基体为丁腈橡胶,硫化温度(100±5)℃,硫化时间2h;橡胶基体为氢化丁腈橡胶,硫化温度(150±5)℃,硫化时间4h。
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