不同填料对胶料综合性能影响力分析

填料对胶料力学性能影响力分析GB20688.３（建筑隔震橡胶支座）中规定了支座成品的力学性能，其中压缩性能和剪切性能是建筑减隔振支座很重要的性能，决定建筑隔震支座是否合格。这两项性能与胶料的硬度、剪切模量和阻尼比息息相关。在工厂化生产中，多是调整填料用量满足支座产品对胶料力学性能要求，但是填料对胶料性能影响是多方面的，需要进过多次调整才能得到满足要求的胶料配方。本文利用正交试验设计方法，研究填料N550、K770和增黏树脂2402对胶料硬度、拉伸强度、扯断伸长率、硬度、剪切模量和阻尼比的影响力，为以后设计合理的橡胶配方提供有价值的参考。一、实验部分1.原材料实验原材料见表1。表1实验原材料表材料名称级别产地天然橡胶SCRWF云南农垦防老剂4020工业级江苏飞亚化工有限责任公司微晶蜡80#微晶蜡深圳市吉田化工有限公司氧化锌工业级衡水滏阳氧化锌厂硬脂酸工业级河北衡水中联化工有限责任公司防老剂RD工业级上海成锦化工有限公司硫磺工业级辛集市康达化工有限公司促进剂TMTD工业级河南省开仑化工有限责任公司促进剂DM工业级山东尚舜化工有限责任公司炭黑N550山西黑马炭黑有限公司无机填料K770市售机油DAEKA8030衡水圣康化工有限公司增黏树脂2402天津喜利来化工厂2.实验仪器实验仪器见表2。表2实验仪器设备名称规格型号生产厂家试验室用小型开炼机BL-6175-C东莞宝轮精密检测仪器有限公司试验室用小型密炼机BL-6172-A东莞宝轮精密检测仪器有限公司电子万能试验机WDW型上海华龙测试仪器股份有限公司试验室用平板硫化机25TXLB-300*300青岛嘉瑞橡胶机械有限公司无转子硫化仪MDR-2000E无锡市蠡园电子化工设备有限公司3.配方设计选择N550，K770，增黏树脂2402为影响胶料性能的因素，设计正交试验，见表3。表3不同影响因素水平表填料名称重量份数A水平B水平C水平N550102520K770305045增塑树脂2402358根据表3，共需做9组试验，正交实验安排见表4表4正交实验安排表编号填料1#2#3#4#5#6#7#8#9#N550101010252525202020K770355045355045355040增黏树脂2402358583835注：其他（份），NR(100)、ZnO(4)、硬脂酸(1.5)、RD(1.5)、4020(1.5)、微晶蜡(2)、机油(10)、S(1.5)、TMTD(0.8)、DM(0.8)4.性能测试硬度按GB/T531.1的规定进行。拉伸强度和扯断伸长率按GB/T528的规定进行，采用Ⅰ型哑铃试样，拉伸速度500±50mm/min，初始标距为25mm。剪切模量和阻尼比按GB/T20688.1的规定，试样采用橡胶型剪切试样。二、结果与讨论对1#～9#配方进行力学性能测试，结果见表5。表51～9#配方力学性能测试结果编号胶料力学性能硬度/A拉伸强度/MPa断裂伸长率/%剪切模量/MPa阻尼比*1001#4014.97030.262.42#4611.86280.2294.63#4013.27160.2584.64#5212.25810.16645#5414.26220.216.56#5314.46120.2993.97#4614.96420.24.48#4115.46030.3193.59#4915.35930.1864.61.三种填料对胶料硬度影响三种填料对胶料硬度影响极差分析见表6。表6三种填料对胶料硬度影响极差分析表填料水平硬度/A总和平均值极差N55010404640126421125525453159532046414913645K7703540524613846150465441141474540534914247增黏树脂24023415341135454546524914749840544614047极差反映出各个因素对胶料某种性能的影响能力，极差越大，说明影响力越大。从表6可以看出：对胶料硬度影响主次顺序为N550、增黏树脂2402、K770。硬度是表征橡胶材料刚性的指标，表示一定形变所需要的力，与建筑间隔震橡胶支座的压缩性能息息相关。N550属于补强性填料，粒径小，活性大，因此对胶料硬度影响力最大；增黏树脂2402属于酚醛树脂，它能促进硫化胶三维网络结构形成，能有效增加抵抗一定形变所需力值，因此对胶料硬度影响力居中；K770属于半补强性填料，粒径中等，活性稍弱，因此对胶料硬度影响力最弱。2.三种填料对胶料拉伸强度影响三种填料对拉伸强度影响极差分析见表7。表7三种填料对胶料拉伸强度影响极差分析表填料水平拉伸强度/MPa总和平均值极差N5501014.911.813.239.913.31.92512.214.214.440.813.62014.915.415.345.615.2K7703514.912.214.942140.65011.814.215.441.413.84513.614.415.343.314.4增黏树脂2402314.914.415.444.714.90.1511.812.215.339.313.1813.214.216.944.314.8从表7可以看出：对胶料拉伸强度的影响主次顺序为N550、K770、增黏树脂2402。众所周知，补强能力大小是影响胶料拉伸强度的重要因素之一。炭黑是橡胶材料主要的补强剂，因此对胶料拉伸强度影响力最大；K770是一种纳米高岭土，主要做橡胶材料的填充剂，补强作用稍弱，因此对胶料拉伸强度影响力居中；增黏树脂2402是一种增粘剂，无补强作用，加入后一定程度上降低了橡胶材料的拉伸强度，因此对胶料硬度影响力最弱。3.三种填料对胶料扯断伸长率影响三种填料对胶料扯断伸长率影响极差分析见表8。表8三种填料对胶料扯断伸长率影响极差分析表填料水平扯断伸长率/%总和平均值极差N550107036287162047682.3377.3255816226121815605.03206426035931838612.63K770357035816421926642.0324.3506286226031853617.63457166125931921640.33增黏树脂240237036126031918639.359.356285815931802600.687166226421980660从表8中可以看出，对胶料扯断伸长率影响主次顺序为N550、增黏树脂2402、K770。扯断伸长率与拉伸强度有一定的相关性，只有较高的拉伸强度，才能保证在受力过程中，大分子链不被扯断，保持较高的伸长率，但是当拉伸强度高的一定程度后，扯断伸长率会下降，尤其是在硬度较高的情况下。因此对扯断伸长率的影响是复杂的。因此本实验中，对胶料拉伸强度和扯断伸长率影响主次顺序不相同，在实际大生产中，必须根据小试的结果进行配方调整。4.三种填料对剪切模量影响分析三种填料对胶料剪切模量影响极差分析见表9。表9三种填料对胶料剪切模量影响极差分析表填料水平剪切模量/Mpa总和平均值极差N550100.260.2290.2580.7470.2490.024250.1660.210.2990.6750.225200.20.3190.1860.7050.235K770350.260.1660.20.6260.2090.067500.2990.210.3190.8280.276450.2580.2990.1860.7430.248增黏树脂240230.2580.2990.3190.8760.2920.07550.2990.1660.1860.6510.21780.2580.210.20.6680.223从表9可以看出：对胶料剪切模量的影响主次顺序为增黏树脂2402、K770、N550。剪切模量是材料在剪切应力作用下，在弹性变形比例极限范围内，切应力与切应变的比值。它表征材料抵抗切应变的能力。加入增黏树脂2402后，促进硫化胶三维网络结构形成，抵抗切应变能力增加，因此对胶料剪切模量影响力最大；K770属于人工合成层状硅酸盐结构，受到剪切应力时，与橡胶结合部位易于滑动，因此对胶料剪切模量的影响力居中；N550与橡胶大分子间形成结合橡胶，结合强度大，不易滑动，因此对胶料剪切模量影响力最弱。5.三种填料对阻尼比影响分析三种填料对胶料阻尼比影响极差分析见表10。表10三种填料对胶料阻尼比影响极差分析表填料水平阻尼比*100总和平均值极差N550102.44.64.611.63.80.922546.53.914.44.8204.43.54.612.54.2K770352.444.410.83.61.3504.66.53.514.64.9454.63.94.613.14.7增黏树脂240232.43.94.610.93.61.554.643.912.54.284.66.54.415.55.2从表10中可以看出，对胶料阻尼比影响主次顺序为2402、K770、N550。阻尼比是无单位量纲，表示结构在受激振后振动的衰减形式，它是表征建筑隔震支座是否具有减震能力的指标。胶料的阻尼比越大则材料在受到激振后能将震动能量尽快消耗。2402是一种增黏树脂，可以增加胶料的滞后性，所以对阻尼比的影响最大。K770对橡胶材料阻尼性能的影响有两个方面：一是导致材料的自由体积变大，产生稀释效应，从而降低胶料的阻尼性能；二橡胶材料受外力作用发生变形时，层间会发生取向，从而使填料与橡胶之间产生摩擦，增大阻尼；这两种作用的强弱取决于其用量的多少，在本实验用量范围内，K770能增大胶料阻尼性能，对胶料阻尼比影响力居中；N550由于粒径小，活性高，对胶料阻尼比影响力最弱。三、结论（1）三种填料对胶料的各项物理性能均有影响，但是对胶料各项物理性能影响能力不同。（2）N550对胶料的硬度、拉伸强度和扯断伸长率有较大影响。（3）K770是一种对胶料力学性能影响胶小的填料。（4）当2402用量＜5份时，对胶料的硬度，强度，影响较小，但是对胶料的剪切模量和阻尼比有较大的影响。