CN114369295B - 一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料及其制备方法,属于导电橡胶领域。由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑15~25份、氧化锌2~5份、硬脂酸0.5~2份、硫磺1~5份、二硫化四甲基秋兰姆0.5~0.8份、N‑环己基‑2‑苯并噻唑次磺酰胺0.1~0.5份,端羟基聚丁二烯液体橡胶10~30份。本发明用HTPB液体橡胶改性NBR,制备含有HTPB的NBR复合材料,HTPB中的双键会在硫化机和促进剂的作用下,与NBR生胶中的双键发生交联共聚,形成更为致密的网络结构,交联程度增加,且引入侧链羟基基团,微观结构更为致密,且会提高复合材料的硬度、强度和耐磨性能。
Description
技术领域
本发明涉及导电橡胶技术领域,尤其涉及一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
丁腈橡胶(NBR)是丁二烯和丙烯腈的共聚物,其吸振性能好,加工工艺性能好,有着良好的摩擦磨损性能、抗磨粒磨损性能、疲劳磨损性能等性能,是目前主要使用的水润滑轴承材料,其最大优点就在于对泥沙不敏感,缺点是承载能力小,在高载低速情况下(边界和混合润滑条件)容易产生高磨损、甚至撕裂现象。
边界和混合润滑条件下,复合材料宏观摩擦磨损性能与材料的硬度、耐磨性能、表面亲水性等直接相关,因此要克服丁腈橡胶材料在作为水润滑轴承材料时的缺点,需要提高丁腈橡胶复合材料的承载能力(硬度和强度)、耐磨性能,降低低速下的摩擦系数(在低速下也要能形成水膜),因此需要对丁腈橡胶材料进行改性。但是传统的改性方法为在丁腈橡胶中添加无机纤维、无机纳米粒子等填料,但是这些填料在增加丁腈橡胶硬度、强度的的同时,会显著降低材料的弹性,从而降低丁腈橡胶对泥沙等的包覆性能,降低了耐磨性能,且丁腈橡胶本身亲水性能较低,无机填料的加入也不能改善其亲水性能,无法降低水润滑低速下的摩擦系数。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料及其制备方法。本发明提供的导电丁腈橡胶强度高,水润滑下摩擦系数低,耐磨性能优异。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料,由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑15~25份、氧化锌2~5份、硬脂酸0.5~2份、硫磺1~5份、二硫化四甲基秋兰姆0.5~0.8份、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺0.1~0.5份,端羟基聚丁二烯液体橡胶10~30份。
优选地,所述的改性丁腈橡胶水润滑复合材料由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑25份、氧化锌5份、硬脂酸1.2份、硫磺3份、二硫化四甲基秋兰姆0.6份、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺0.3份,端羟基聚丁二烯液体橡胶15~20份。
优选地,所述端羟基聚丁二烯液体橡胶的相对分子量为3000~4300。
本发明还提供了上述技术方案所述的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的制备方法,包括以下步骤:
将丁腈生胶依次与炭黑、氧化锌和硬脂酸混合,进行密炼,得到密炼料;
将所述密炼料依次与硫磺、二硫化四甲基秋兰姆和N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺混合进行开炼,得到NBR混炼胶;
将所述NBR混炼胶与端羟基聚丁二烯液体橡胶混合后依次进行动态硫化和平板硫化,得到所述改性丁腈橡胶水润滑复合材料。
优选地,所述动态硫化的温度为140℃,时间为至无液体物质。
优选地,所述动态硫化在搅拌条件下进行,所述搅拌的转速为60转/min。
优选地,所述动态硫化在双转子转矩流变仪中进行。
优选地,所述平板硫化的温度为160~180℃,压力为10~12MPa。
优选地,所述密炼的温度为60℃,时间为15~20min。
优选地,所述开炼包括依次进行的打三角包和打卷。
本发明提供了一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料,由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑15~25份、氧化锌2~5份、硬脂酸0.5~2份、硫磺1~5份、二硫化四甲基秋兰姆0.5~0.8份、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺0.1~0.5份,端羟基聚丁二烯液体橡胶10~30份。本发明用端羟基聚丁二烯(HTPB)液体橡胶改性丁腈橡胶(NBR),制备含有HTPB的NBR复合材料,HTPB中的双键会在硫化机和促进剂的作用下,与NBR生胶中的双键发生交联共聚,形成更为致密的网络结构,交联程度增加,且引入侧链羟基基团,微观结构更为致密,且会提高复合材料的硬度、强度和耐磨性能,使NBR橡胶表面由疏水转变为亲水,表面接触角减小,在作为水润滑材料时,由于表面的亲水性能,在低转速下,可以形成稳定的水膜,极大的降低在水润滑下特别是低转速下的摩擦系数,在提高NBR复合材料强度的同时,在NBR橡胶中引入亲水的羟基基团(-OH),在显著降低水润滑下摩擦系数的同时,还提高了NBR复合材料的耐磨性能。
具体实施方式
本发明提供了一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料,由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑15~25份、氧化锌2~5份、硬脂酸0.5~2份、硫磺1~5份、二硫化四甲基秋兰姆0.5~0.8份、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺0.1~0.5份,端羟基聚丁二烯液体橡胶10~30份。
在本发明中,若无特殊说明,使用的原料均为本领域市售商品。
在本发明中,所述改性丁腈橡胶水润滑复合材料优选由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑25份、氧化锌5份、硬脂酸1.2份、硫磺3份、二硫化四甲基秋兰姆0.6份、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺0.3份,端羟基聚丁二烯液体橡胶15~20份。
在本发明中,所述端羟基聚丁二烯液体橡胶的相对分子量优选为3000~4300。
在本发明中,所述端羟基聚丁二烯液体橡胶的结构如式1所示,结构中含有双键,且两端为羟基。
本发明还提供了上述技术方案所述的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的制备方法,包括以下步骤:
将丁腈生胶依次与炭黑、氧化锌和硬脂酸混合,进行密炼,得到密炼料;
将所述密炼料依次与硫磺、二硫化四甲基秋兰姆和N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺混合进行开炼,得到NBR混炼胶;
将所述NBR混炼胶与端羟基聚丁二烯液体橡胶混合后依次进行动态硫化和平板硫化,得到所述改性丁腈橡胶水润滑复合材料。
本发明将丁腈生胶依次与炭黑、氧化锌和硬脂酸混合,进行密炼,得到密炼料。
在本发明中,所述密炼的温度优选为60℃,时间优选为15~20min。
在本发明中,所述密炼优选在密炼机中进行。
本发明优选先将所述密炼机预热至60℃,然后投入丁腈生胶,设置转速60转/min,向密炼机依次投入炭黑、氧化锌、硬脂酸。
在本发明中,所述密炼完成后,优选还包括静置,所述静置的时间优选为30min。
得到密炼料后,本发明将所述密炼料依次与硫磺、二硫化四甲基秋兰姆和N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺混合进行开炼,得到NBR混炼胶。
在本发明中,所述开炼优选包括依次进行的打三角包和打卷。在本发明中,所述打三角包和打卷的次数均优选为3次。
在本发明中,所述开炼的温度优选为室温。
在本发明中,所述开炼优选在开炼机中进行。
得到NBR混炼胶后,本发明将所述NBR混炼胶与端羟基聚丁二烯液体橡胶混合后依次进行动态硫化和平板硫化,得到所述改性丁腈橡胶水润滑复合材料。
在本发明中,所述动态硫化的温度优选140℃,时间优选为至无液体物质。
在本发明中,所述动态硫化优选在双转子转矩流变仪中进行。本发明中,所述动态硫化主要是把HTPB液体橡胶加入到NBR混炼胶中,在140℃,HTPB液体在混合的同时与NBR混炼胶发生交联反应,从而均匀的分散于NBR混炼胶中,双转子转矩流变仪可以实现上述过程,因为双转子转矩流变仪在混合过程中对两种物质的搅拌压力较大,可以达到动态硫化的条件,如果不采用动态硫化的方法,只是采用普通的机械混合比如橡胶密炼机的方法,无法达到动态硫化的条件,无法将HTPB液体混入NBR混炼胶中,HTPB会一致保持液体状态,从NBR混炼胶中析出。
在本发明中,所述动态硫化优选在搅拌条件下进行,所述搅拌的转速优选为60转/min。
在本发明中,所述平板硫化的温度优选为160~180℃,压力优选为10~12MPa
在本发明中,所述平板硫化优选在平板硫化机中进行。
本发明对所述改性丁腈橡胶水润滑复合材料的应用没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的方式即可,具体的,如应用于舰艇尾轴承、大型轴立式泵导轴承、水轮机导轴承等。
为了进一步说明本发明,下面结合实例对本发明提供的改性丁腈橡胶水润滑复合材料及其制备方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
首先将密炼机预热至60℃,然后投入100g丁腈橡胶生胶,设置转速60转/min,向密炼机依次投入25g炭黑、5g氧化锌、1.2g硬脂酸,混合20min后取出。静置30min后,使用开炼机,室温,继续加入3g硫磺、0.6g二硫化四甲基秋兰姆、0.3g N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺,经打三角包3次、打卷3次后得到NBR混炼胶。将混炼胶与10g HTPB液体放入双转子转矩流变仪罐体中,设置温度140℃,搅拌速率60转/min,待混合物中无液体物质后取出,再利用开炼机出片,将胶料胶置入模具中,利用平板硫化机进行硫化,硫化温度为160℃,硫化压力为10MPa。
对实施例1制得的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的性能进行测试,结果如下:
拉伸强度:14.5MPa;
硬度(邵A):80;
耐磨性能(干摩擦磨损量,0.5MPa,2.83m/s,2h):5mg;
材料接触角(水滴大小为5μL):50.3°。
水润滑条件下摩擦系数如表1所示。
表1实施例1制得的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的摩擦系数
实施例2:
首先将密炼机预热至60℃,然后投入100g丁腈橡胶生胶,设置转速60转/min,向密炼机依次投入25g炭黑、5g氧化锌、1.2g硬脂酸,混合20min后取出。静置30min后,使用开炼机,室温,继续加入3g硫磺、0.6g二硫化四甲基秋兰姆、0.3g N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺,经打三角包3次、打卷3次后得到NBR混炼胶。将混炼胶与15g HTPB液体放入双转子转矩流变仪罐体中,设置温度140℃,搅拌速率60转/min,待混合物中无液体物质后取出,再利用开炼机出片,将胶料胶置入模具中,利用平板硫化机进行硫化,硫化温度为180℃,硫化压力为12MPa。
对实施例2制得的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的性能进行测试,结果如下:
拉伸强度:17.5MPa;
硬度(邵A):83;
耐磨性能(干摩擦磨损量,0.5MPa,2.83m/s,2h):4.5mg;
材料接触角(水滴大小为5μL):42.5°。
水润滑条件下摩擦系数如表2所示。
表2实施例2制得的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的摩擦系数
实施例3:
首先将密炼机预热至60℃,然后投入100g丁腈橡胶生胶,设置转速60转/min,向密炼机依次投入25g炭黑、5g氧化锌、1.2g硬脂酸,混合15min后取出。静置30min后,使用开炼机,室温,继续加入3g硫磺、0.6g二硫化四甲基秋兰姆、0.3g N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺,经打三角包3次、打卷3次后得到NBR混炼胶。将混炼胶与20g HTPB液体放入双转子转矩流变仪罐体中,设置温度140℃,搅拌速率60转/min,待混合物中无液体物质后取出,再利用开炼机出片,将胶料胶置入模具中,利用平板硫化机进行硫化,硫化温度为170℃,硫化压力为11MPa。
对实施例3制得的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的性能进行测试,结果如下:
拉伸强度:21.2MPa;
硬度(邵A):86;
耐磨性能(干摩擦磨损量,0.5MPa,2.83m/s,2h):3.2mg;
材料接触角(水滴大小为5μL):35.6°。
水润滑条件下摩擦系数如表3所示。
表3实施例3制得的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的摩擦系数
比较例1:
不添加HTPB液体橡胶:首先将密炼机预热至60℃,然后投入100g丁腈橡胶生胶,设置转速60转/min,向密炼机依次投入25g炭黑、5g氧化锌、1.2g硬脂酸,混合20min后取出。静置30min后,使用开炼机,室温,继续加入3g硫磺、0.6g二硫化四甲基秋兰姆、0.3g N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺,经打三角包3次、打卷3次后得到NBR混炼胶。将胶料胶置入模具中,利用平板硫化机进行硫化,硫化温度为160℃,硫化压力为10MPa。
对比较例1制得的复合材料的性能进行测试,结果如下:
拉伸强度:12.5MPa;
硬度(邵A):78;
耐磨性能(干摩擦磨损量,0.5MPa,2.83m/s,2h):8.3mg;
材料接触角(水滴大小为5μL):55.6°。
水润滑条件下摩擦系数如表4所示。
表4比较例1制得的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的摩擦系数
比较例2:
不采用动态硫化反应的方法:
首先将密炼机预热至60℃,然后投入100g丁腈橡胶生胶,设置转速60转/min,向密炼机依次投入25g炭黑、5g氧化锌、1.2g硬脂酸,混合20min后取出。静置30min后,使用开炼机,室温,继续加入3g硫磺、0.6g二硫化四甲基秋兰姆、0.3g N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺,经打三角包3次、打卷3次后得到NBR混炼胶。将混炼胶与20g HTPB液体放入密炼机中机械混合,搅拌速率60转/min,此时HTPB液体无法均匀的混入NBR橡胶体系,无法制备改性丁腈橡胶水润滑复合材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种改性丁腈橡胶水润滑复合材料,其特征在于,由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑15~25份、氧化锌2~5份、硬脂酸0.5~2份、硫磺1~5份、二硫化四甲基秋兰姆0.5~0.8份、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺0.1~0.5份,端羟基聚丁二烯液体橡胶10~30份;
所述的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
将丁腈生胶依次与炭黑、氧化锌和硬脂酸混合,进行密炼,得到密炼料;
将所述密炼料依次与硫磺、二硫化四甲基秋兰姆和N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺混合进行开炼,得到NBR混炼胶;
将所述NBR混炼胶与端羟基聚丁二烯液体橡胶混合后依次进行动态硫化和平板硫化,得到所述改性丁腈橡胶水润滑复合材料。
2.根据权利要求1所述的改性丁腈橡胶水润滑复合材料,其特征在于,由包括以下质量份数的组分制得:丁腈生胶100份、炭黑25份、氧化锌5份、硬脂酸1.2份、硫磺3份、二硫化四甲基秋兰姆0.6份、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺0.3份,端羟基聚丁二烯液体橡胶15~20份。
3.根据权利要求1或2所述的改性丁腈橡胶水润滑复合材料,其特征在于,所述端羟基聚丁二烯液体橡胶的相对分子量为3000~4300。
4.权利要求1~3任一项所述的改性丁腈橡胶水润滑复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将丁腈生胶依次与炭黑、氧化锌和硬脂酸混合,进行密炼,得到密炼料;
将所述密炼料依次与硫磺、二硫化四甲基秋兰姆和N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺混合进行开炼,得到NBR混炼胶;
将所述NBR混炼胶与端羟基聚丁二烯液体橡胶混合后依次进行动态硫化和平板硫化,得到所述改性丁腈橡胶水润滑复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述动态硫化的温度为140℃,时间为至无液体物质。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于,所述动态硫化在搅拌条件下进行,所述搅拌的转速为60转/min。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述动态硫化在双转子转矩流变仪中进行。
8.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述平板硫化的温度为160~180℃,压力为10~12MPa。
9.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述密炼的温度为60℃,时间为15~20min。
10.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述开炼包括依次进行的打三角包和打卷。
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GR01 | Patent grant | ||
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