如何设计高弹性橡胶的配方?
选择弹性较高的生胶。在通用橡胶中,顺丁橡胶、天然橡胶分子链的柔顺性好,弹性好。丁苯橡胶和丁基橡胶,由于空间位阻效应大,阻碍分子链段运动,弹性较差。丁腈橡胶、氯丁橡胶等极性橡胶,由于分子间作用力较大,而使弹性有所降低。对于结晶型橡胶,结晶的存在可作为物理结点使弹性网络趋于完善,有利于弹性;同时也增加了分子链的运动阻力,降低了弹性。所以,一般情况下,橡胶的结晶会使弹性下降。为降低天然橡胶的结晶能力,在天然橡胶胶料中并用部分顺丁橡胶,可使其硫化胶的弹性提高。
选择分子量较大和分子量分布较窄的生胶。分子量越大,不能承受应力的对弹性没有贡献的游离末端数量就越少;另外分子量大,分子链内彼此缠结而导致的“准交联”效应增加。因此,分子量大有利于弹性的提高。分子量分布(Mw/Mn)窄的高分子量级分多,对弹性有利;分子量分布宽的,则对弹性不利。
设计适当硫化体系。随交联密度的增加,硫化胶弹性增大,并出现最大值,交联密度继续增大,弹性则呈下降趋势。因为分子链间无交联时,易在力场的作用下产生分子链间的相对滑动,形成不可逆形变,此时弹性较差。适度的交联,可以减少或消除分子链间彼此的滑移,有利于弹性的提高。交联过度又会因分子链的活动受阻,而使弹性下降。
交联键类型对弹性有影响。多硫键键能较小,对分子链段的运动束缚力较小、松弛快,因而回弹性较高。这种影响在天然橡胶硫化胶中表现最明显。在丁苯橡胶与顺丁橡胶并用的硫化胶中,随多硫键含量增加,回弹性也随之增大,特别是在温度较高的情况下。交联键键能较高、键长较短的—CC一键和CSC—键,在高温下的压缩永久变形比多硫键小。对于丁腈橡胶,DCP无硫硫化体系回弹性比常规硫化体系的高。
选择高弹性硫化体系配合。一般选用噻唑类或次磺酰胺类作主促进剂,胍类作第二促进剂,硫化胶的回弹性较高,物理机械性能较好,滞后损失较小。提高含胶率,减少活性填料的使用。硫化胶的弹性完全是橡胶分子提供的,所以提高含胶率是提高弹性最直接、最有效的方法为了获得高弹性,应尽量减少填充剂用量而提高生胶含量。选用的炭黑粒径越小、表面活性越大、结构性越高、补强性能越好,硫化胶的弹性越低。补强性高的活性炭黑对硫化胶的回弹性有不利的影响;炭黑的粒子大、结构性低(吸留胶少)、与橡胶缺乏表面化学结合的回弹性高;随各种炭黑用量的增加,回弹性均下降。无机填料的影响程度与其用量和胶种有关。白炭黑的影响与炭黑的影响相似,一般来说,硫化胶的弹性随无机填料用量增加而降低,但是比炭黑降低的幅度小。加入50~70份无机填料时,硫化胶的弹性降低5%~9%。有些惰性填料(如重质碳酸钙、陶土),填充量不超过30份时,对硫化胶的弹性影响很小。
选择与橡胶相容性好软化增塑剂,并尽可能降低用量,软化增塑剂与橡胶的相容性越小,硫化胶的弹性越差。一般来说,增加软化增塑剂的用量,会使硫化胶的弹性降低(但三元乙丙橡胶除外),所以在高弹性橡胶制品的配方设计中,应尽可能不加或少加软化增塑剂。但软化增塑剂与橡胶相容性好不一定回弹性高。例如,对于丁腈橡胶,加入酯类软化增塑剂的回弹性为41%~47%,而加入石油系软化增塑剂仅为22%~24%。但在IR、BR、SBR中加入石蜡烃又比加入芳烃油有更高的回弹性。
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