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第六节 橡胶(上)

浏览次数: 日期:2017-06-03

橡胶

  橡胶是摩擦材料中的主要粘结剂之一,在摩擦材料行业生产中,现在已经很少有纯酚醛树脂型的摩擦材料制品。一般都使用酚醛树脂--橡胶共混型粘结剂。因为用纯酚醛树脂为粘结剂的摩擦材料制品有着明显的缺陷,如酚醛树脂性脆而硬,造成其制品摩擦材料也材质脆硬,硬度高,抗冲击性能差。制品弹性模量高,与摩擦副对偶表面贴合性差,接触点附近局部温度很高,材料表面易产生龟裂、导至表面碎裂脱落,磨损加快,使用寿命短。材质刚硬,容易产生制动噪声音等。而质软且有弹性的橡胶加入到树脂中进行共混改性显然有利于改善和克服上述缺点。

  摩擦材料按粘结剂类型,可分为两类:一类是以树脂为主要粘结剂,橡胶为辅助粘结剂。属于树脂型摩擦材料;另一类是以橡胶为主要粘结剂,树脂为辅助粘结剂。属于橡胶型摩擦材料。树脂型摩擦材料在摩擦材料中占了绝大部份数量和品种,制品质地刚硬,一般来说要求不但有较高的低温摩擦系数,在高温下也有较好的摩擦系数和使用寿命,能在较高的制动压力和摩擦速度下工作。橡胶型摩擦材料包括城市公交车辆用的软质刹车片,刹车带、以及部份机床和工程机械用异形摩擦片。这类摩擦材料材质较软主要用于制动压力和相对摩擦速度较低工作温度不高的工况条件。

  摩擦材料中常用的橡胶为天然橡胶、丁苯橡胶和丁腈橡胶。

  一、摩擦材料中常用的橡胶介绍

    天然橡胶是异戊二烯的高聚物,它是从植物(橡胶树、橡胶草)中采集来的橡胶,植物中采集的橡胶最初为乳状液体,为了制取干胶,把胶乳用水稀释到20%的浓度,然后对胶乳添加稀醋酸或蚁酸。这时介质被中和,胶液的蛋白质膜遭到破坏,胶液失去电荷并凝聚起来,形成生胶。将制成的生胶进行水洗,压片,再经干燥制成胶块,这就是天然橡胶。简称天然胶。

    天然橡胶在国民经济中的地位非常重要。据统计,目前应用天然橡胶的制品已超过三万种以上。

    天然橡胶分子具有双键,因此能与氧、臭氧、硫及其它物质起化学反应。溶于汽油、苯、煤油及其它有机溶剂。在空气中,会逐步老化,各项性能变差。    天然橡胶在常温下,是强韧和具有弹性的材料,密度为0.9 - 0.93克/厘米3,温度在0℃以下时,刚性和脆性增大。随着温度的升高,可慢慢软化,进一步加热具有流动性。

    天然橡胶的特点是具有良好的的弹性、抗拉强度和伸长率,但其耐热性在各种橡胶 中相对较差些,而摩擦材料的使用特点是高温工况条件,因而要求其组份中的粘结剂包括树脂和橡胶应具有尽量高的耐热性。天然橡胶在这点上显然要差些,再加之价格等比丁苯橡胶要高些等原因,故在摩擦材料行业使用不是很多。

   丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯聚合而成的高分子共聚物。随着苯乙烯的含量的降低,橡胶的弹性和耐寒性增高,而硬度和粘度降低。是世界上应用最普遍的合成橡胶,也是价格最便宜的合成橡胶之一,有一定的耐热性和较好的的耐磨性,因此是摩擦材料行业中应用最为广泛的橡胶。

   丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈在水乳液中聚合而成的高分子共聚物。大分子链上含有高键能的CN基,使它成为耐油和耐溶剂性能好的合成橡胶。并且具有较好的抗拉强度和耐热性。因此适用于要求耐热好、强度高的摩擦材料制品。

    1.天然橡胶

  天然橡胶是橡胶工业中最早应用的橡胶。20世纪三十年代以前,橡胶工业使用的原料几乎全是天然橡胶。截止上世纪末,天然橡胶总产量为橡胶总产量的三分之一。

  天然橡胶主要产自热带及亚热带栽培的巴西种三叶橡胶树,橡胶树种植后,经5-6年可开始割胶,每棵橡胶树每月割胶18次,每次可流出乳白色的们液约200毫升,每棵橡胶树每年可平均产干胶四公斤左右。      

天然胶乳的主要成份如表3-27:

成份名称

重量   %

橡胶烃

27-40%

树脂

1.0-1.7

水份

52-70

醛类

0.5-1.5

蛋白质

1.5-2.8

无机盐类

0.2-0.9

  天然胶乳可制成各种胶乳制品,例如手套、薄膜、气球等,但大部份天然胶乳主要还是经加工制成固体干胶,又称生胶。

  天然胶的品种很多,主要有烟片胶、绉片胶(白绉片胶、褐绉片胶)、颗粒橡胶,此外还有风干胶片以及某些专用天然橡胶。例如易操作橡胶、恒粘橡胶、充油天然橡胶、轮胎橡胶、纯化橡胶、填料橡胶、接技橡胶等等。

  烟片胶是天然橡胶中最为主要的品种。各种类型的天然橡胶中绝大部份为烟片胶。它们是天然胶经稀释、净化、加酸、凝固、水洗、压片、熏烟等工序加工而成。

  烟片胶为棕色,分为五个等级。即一、二、三、四、五号,它们的物理性能指标见表3-28:

指标名称

一号

二号

三号

四号

五号

抗拉强度 公斤/厘米2不小于

230

230

200

180

160

伸长率  %不小于

750

750

700

650

650

老化系数70℃24小时不小于

0.95

0.95

0.9

0.8

-

老化系数70℃144小时不小于

0.8

0.8

0.7

-

-

  天然橡胶是线型结构的天然高分子化合物。即它是由许多相同的链节(结构单元)以共价键连结成长链状大分子。其中每个链节是异戊二烯,因此天然橡胶是异戊二烯(线状)聚合物,链节数为3000-5000个。天然橡胶的分子量可达150000-300000左右。分子量巨大是天然橡胶的主要特征。

  其中98%是以异戊二烯基的1.4结构形式连接的大分子链状结构。

  天然橡胶的物理性能:

  天然橡胶的比重为0.91-0.93,导热系数为0.00039-0.000426千卡/米.小时,电阻约2·1014欧姆/厘米2,是电的优良绝缘体。生胶没有固定的的熔点,常温时为富挠性的弹性体,随着温度降低逐渐变得硬化,接近零度时,弹性大降。其玻璃态温度为-70℃,在此温度下它变为脆性固体物,但受冷冻的橡胶加热升温后可恢复原态。加热逐渐变软,粘度增加,130-140℃时完全软化,150-160℃变粘成熔融状态,呈粘流态,200℃左右开始分解,270℃时急剧分解。

  当生胶和汽油、苯或其它一些有机溶剂接触时,起初橡胶会吸收溶剂,体积迅速增加,经过一段时间其体积会增到其溶胀的极限值,若生胶经过素炼或热的作用,其原始的球粒结构受到了机械和化学的破坏,它就能在有机溶剂无限地溶胀,即发生溶解,变成橡胶溶液(桨液)。

  天然橡胶分子结构中有不饱和双键,化学能力较活泼,因而其耐用老化和耐气候性差,耐油、耐溶剂性能很差,能耐弱酸和弱碱,但易受强酸侵蚀。

  天然橡胶的优点是:

  ①良好的弹性,弹性温度范围为-70-130℃。

  ②机械强度很好,其纯硫化胶的强度除聚氨脂橡胶外是最高的。撕裂强度高于大部份橡胶品种。

  ③具有优异的耐屈挠性,屈挠约20万次以上。

  ④良好的耐磨性、耐寒性和绝缘性。

  ⑤硫化特性、加工性能、粘着性和并用性都很好。

     2.丁苯橡胶

    丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯在水乳液中进行共聚反应生成的产物。其反应式为:

 

 

    丁二烯主要在其14位置上聚合,也有部份丁二烯在12位置上聚合,这种结构的含量约为14-18%

    丁苯橡胶系1933年研究成功,1937年德国首先投入工业化生产,商品名称为布纳SBunas),在美国此产品称为SBR ,即Styrene-Butadiene Rubber (丁二烯-苯乙烯橡胶英文名称)的缩写。美国丁苯橡胶 的牌号为GRS

    丁苯橡胶为无定型结构,依其中丁二烯和苯乙烯的比例及其它聚合因素的不同,可分为丁苯-10、丁苯-30,丁苯-50、丁苯-70等牌号,10305070数字表示苯乙烯单体在总重中所占的比例。苯乙烯含量越大其硫化胶的刚性越大、弹性和伸长率越小。摩擦材料制品中经常使用的是丁苯-30

    丁苯橡胶的分类:

    ⑴ 按聚合温度分类分为:

    ①高温丁苯橡胶(50℃温度下聚合而成)

    ②低温丁苯橡胶(5℃温度下聚合而成)

    后者分子量分布较窄,分子接枝少,具有规律性,物理性能比前者好。

    ⑵按品种分类:

    国际合成橡胶 生产者学会采用数字代表性丁苯橡胶 的各个品种。

    ①1500#是目前最通用的有代表性的低温聚合型丁苯橡胶,其加工性能和物理性能均较好。

    1501#是目前最通用的有代表性的低温聚合型丁苯橡胶,其加工性能和物理性能均较好。

    ②1507#是一种用于降低粘度,提高加工性能的丁苯橡胶,用于传递成型(移膜法)和注压成型。

    ③1700#(充油丁苯胶)内加有20-35份操作油,可改善加工性能并降低成本,但物理性能受些影响。

    ④1600#(充碳黑丁苯母炼胶)

    ⑤1800#是充油充碳黑的丁苯母炼胶。

    ⑥2000#2100#,前者是高温共聚丁苯胶乳,后者是低温共聚丁苯胶乳。

    ⑦高苯乙烯丁苯橡胶,苯乙烯含量40-65%,性能近似塑料,作为丁苯橡胶和天然橡胶的补强剂用。

    摩擦材料中最普通采用的是1500#1501#丁苯橡胶。

    丁苯橡胶的平均分子量(美国GRS产品),用粘度计测出数据为40000-50000之间。用离心力法测出数值约大出一倍。平均为92500左右。

物理性能名称

性    能

比重

0.929-0.939

介电常数

2.9

比电阻 欧姆.厘米

1011

可塑性   德弗值

2000-4000

 

 

抗拉强度

Kg/Cm3

相对伸长率   %

伸长300%时模数

邵尔硬度

未加碳黑的GRS

14

600

-

-

加50%碳黑的GRS

175

450

56

-

加活性碳黑的布纳S

270

650

63

66

    未加填充剂的丁苯橡胶的抗拉强度不高,加入碳黑类活性填充剂后,其硫化胶的强度可提高到天然橡胶的水平。

    丁苯橡胶属于通用橡胶,因价格便宜,因此除了需要强度高又不加填充剂的硫化胶的情况外,差不多在任何情况下,它都可以用来代替天然橡胶。

    丁苯橡胶的耐磨性、耐热性、耐自然老化性能优于天然橡胶,价格比天然橡胶便宜,因此它比天然橡胶更适合于摩擦材料,长期以来丁苯橡胶成为通用型摩擦材料使用最普遍的橡胶品种

丁苯橡胶优于天然橡胶的性能

丁苯橡胶逊于天然橡胶的性能

耐磨性好

无添加剂的丁苯胶强度差

耐热性好

硫化速度慢,硫化促进剂用量较大

更耐老化

抗回挠、抗撕裂性能差、粘性差

加工中不易早期硫化

耐寒性差

 

 橡胶名称

耐热性  ℃

天然橡胶

130

丁苯橡胶

140

异丁橡胶

150

氯丁橡胶

160

丁腈橡胶

170

 

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