橡膠與熱塑性材料的共混膠料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種橡膠與熱塑性材料的共混膠料，所述共混膠料的原料按重量份數(shù)比計包括：60～90份的丁晴橡膠、5～30份的超高分子量聚乙烯、2～20份的固體潤滑劑、1～3份的硫磺、0.5～2份的促進(jìn)劑、15～20份的補(bǔ)強(qiáng)劑、1～3份的防老化劑、1～3份的活化劑和1～5份的鄰苯二甲酸二辛脂。該方法首先將上述原料混合均勻，然后混合均勻的共混膠加入平板硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行硫化，得到共混膠料。應(yīng)用本發(fā)明的共混膠料制備的水潤滑橡膠尾軸承可承受的最大局部比壓可達(dá)0.70MPa。
【專利說明】橡膠與熱塑性材料的共混膠料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及船舶水潤滑復(fù)合橡膠尾軸承材料的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地指一種橡膠與熱 塑性材料的共混膠料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水潤滑軸承與傳統(tǒng)的油潤滑軸承相比在材料選擇上存在較大的差異，這主要是由 于工作介質(zhì)發(fā)生較大的改變所致。主要是因?yàn)樗疂櫥S承用水作潤滑劑，水對金屬材料的 腐蝕性較大，水的粘度低，水膜薄且難以形成。因而在水潤滑橡膠尾軸承材料的選擇上就必 須更加注重材料的自潤滑性能以及減振抗噪的能力。對艦船尾管用水潤滑橡膠尾軸承材料 性能要求則更高，需具備：良好的自潤滑性能，以降低其在中低速段的摩擦系數(shù)；良好的減 振降噪性能，以減少艦船水潤滑尾軸承摩擦振動及噪聲，增強(qiáng)其乘坐舒適性、隱蔽性和生存 能力；高比壓，以提高尾軸承的承載能力，降低零部件的質(zhì)量、體積，增強(qiáng)艦船的便捷性；優(yōu) 良的物理力學(xué)性能，如高的扯斷強(qiáng)度，低的吸水膨脹率、高溫不蠕變、不水解等；低的系統(tǒng)磨 損，以延長使用壽命，節(jié)省運(yùn)行維護(hù)的成本。
[0003] 水潤滑尾軸承材料的使用主要經(jīng)歷了兩個階段：水潤滑尾管軸承材料的使用經(jīng)歷 了兩個階段。
[0004] 第一階段是以鐵犁木為代表的木質(zhì)和棉質(zhì)材料。
[0005] 第二階段是以橡膠為代表的高彈性高分子化合物。水潤滑天然橡膠軸承出現(xiàn)在 20世紀(jì)20年代。二戰(zhàn)期間發(fā)現(xiàn)天然橡膠在高速沖擊力作用下會發(fā)生不可逆的硫化還原， 甚至還原到漿糊狀液態(tài)而迅速的被丁腈、氯丁等單體橡膠取代。丁晴、氯丁等水潤滑橡膠 軸承的突出優(yōu)點(diǎn)是吸震、抗沖擊性能優(yōu)異，不污染水域。但缺點(diǎn)也很突出：承載能力低，設(shè)計 比壓只有油潤滑軸承的1/3。在啟動、停機(jī)、低速運(yùn)轉(zhuǎn)等工況下，會產(chǎn)生振動噪聲（Bearing Noise)，嚴(yán)重威脅艦船的安全性、隱蔽性及生存能力，對水下潛器來說這是致命的弱點(diǎn)。因 此對橡膠材料的改性一直是研究熱點(diǎn)之一。
[0006] 美國為降低水下潛器尾部噪聲，在上世紀(jì)七十年代開展了以橡膠為基體的復(fù)合材 料的研究，最終形成系列包括MIL-DTL-17901C (SH)在內(nèi)的系列水潤滑橡膠軸承軍用標(biāo)準(zhǔn)， 使其在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。美國專利4735982公布的材料是通過共混改性法制備 的。該材料以超高分子量聚乙烯（UHMWPE)、硫化橡膠和石墨等粉體為主要原料，混合均勻后 經(jīng)模壓制造軸承。具有硬度高，摩擦系數(shù)低，系統(tǒng)磨損率低，承載比壓高的特點(diǎn)。
[0007] 國內(nèi)對橡膠軸承材料的改性主要通過添加碳纖維，納米ZnOw等進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)改性。此 種改性方法雖然可以在一定程度上提高橡膠基體材料的承載能力和物理力學(xué)性能，但是性 能提高空間有限，補(bǔ)強(qiáng)材料添加過多，則會破壞材料本身的彈性和物理力學(xué)性能。也有學(xué)者 通過表面氫化或高能量離子處理提高橡膠材料表面的親水性，以使其邊界潤滑效果更好， 更易形成流體動壓潤滑。我國在艦船上使用水潤滑軸承的歷史也很悠久，取得了一些經(jīng)驗(yàn)。 但材料的摩擦系數(shù)、振動噪聲相對較高，尤其是在低速時。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對水潤滑橡膠尾軸承材料的上述問題，提供一種橡膠與熱塑性材料的共 混膠料及其制備方法，制備得到共混膠料具有良好的低速性能，且減振降噪性能優(yōu)異，承載 能力高的特點(diǎn)。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種橡膠與熱塑性材料的共混膠料，所述共 混膠料的原料按重量份數(shù)比計包括：60?90份的丁晴橡膠、5?30份的超高分子量聚乙 烯、2?20份的固體潤滑劑、1?3份的硫磺、0. 5?2份的促進(jìn)劑、15?20份的補(bǔ)強(qiáng)劑、 1?3份的防老化劑、1?3份的活化劑和1?5份的鄰苯二甲酸二辛脂。
[0010] 丁腈橡膠（丁二烯一丙烯腈橡膠，簡稱NBR)，由丁二烯與丙烯腈共聚而制得的一 種合成橡膠，平均分子量70萬左右。硫磺能與丁腈橡膠進(jìn)行硫化反應(yīng)。鄰苯二甲酸二辛脂 具有增塑劑的作用。
[0011] NBR結(jié)合丙烯腈量大體可分為極高腈（42?53% )，高腈（35?41 % )，中高腈 (28?34%)，中腈（24?27%)和低腈（16?23%) 5種。NBR中結(jié)合丙烯腈量增加時， 其分子極性增加，對溶劑的穩(wěn)定性提高，耐磨性和氣密性改善；耐寒性、回彈性及壓縮永久 變形性能下降；另外，隨著結(jié)合丙烯腈量的增加，丁腈橡膠的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、抗撕裂強(qiáng) 度和硬度均增大，而扯斷伸長率下降；化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性提高；硫化速度加快，門尼焦燒 時間變短；流動性和動態(tài)力學(xué)性能變差；與PVC的相容性變好。
[0012] 不同牌號的NBR的分子量分布差異較大。分布寬時，可塑性及加工性能改善，但過 寬時，拉伸強(qiáng)度和彈性模量等性能下降。聚合時必須控制適當(dāng)?shù)姆肿恿亢头肿恿糠植肌?br> [0013] 試驗(yàn)證明：當(dāng)丁腈橡膠中丙烯腈含量為28?34%時，水潤滑尾軸承材料的耐磨、 減振降噪性能最優(yōu)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述超商分子量聚乙烯的分子量為200?300萬，其粒徑為40?80目， 所述丁晴橡膠中丙烯腈含量為28?34%。
[0015] 再進(jìn)一步地，所述固體潤滑劑為石墨和二硫化鑰中任意一種或二種。石墨能夠改 善共混膠料的自潤滑性能。石墨純度> 50ppm，純度越大，石墨與其他膠料更充分的共混。 [0016] 再進(jìn)一步地，所述促進(jìn)劑為二硫化四甲基秋蘭姆和一硫化四甲基秋蘭姆中任意一 種或二種。促進(jìn)劑能加速交聯(lián)反應(yīng)，改善硫化膠性能，提高老化性。
[0017] 再進(jìn)一步地，所述補(bǔ)強(qiáng)劑為炭黑、白炭黑、稀土中任意一種或幾種，其中，所述 炭黑中碳粒徑彡40nm，所述白炭黑為沉淀法白炭黑，其中二氧化娃含量> 90%，其粒徑 < 100nm ;所述稀土粒徑< 50nm。
[0018] 炭黑、白炭黑和稀土是復(fù)合橡膠材料的重要補(bǔ)強(qiáng)劑，可以提高拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng) 度。
[0019] 再進(jìn)一步地，所述防老化劑為硫醇基苯并咪唑（MB)和鋅鹽（MBZ)中任意一種或二 種。
[0020] 再進(jìn)一步地，所述活化劑為氧化鋅和硬脂酸的混合物，其中，活化劑中硬脂酸和氧 化鋅的重量比為1 : 1?5。氧化鋅粒徑為100?200nm。
[0021] 本發(fā)明還提供了一種橡膠與熱塑性材料的共混膠料制備方法，包括以下步驟：
[0022] 1)根據(jù)上述重量份數(shù)比計稱取丁晴橡膠、超高分子量聚乙烯、固體潤滑劑、硫磺、 促進(jìn)劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、防老化劑、活化劑和鄰苯二甲酸二辛脂；
[0023] 2)將步驟1)中的超高分子量聚乙烯加熱塑煉至熔融狀態(tài)；
[0024] 3)向熔融態(tài)的超高分子量聚乙烯中加入丁晴橡膠、固體潤滑劑，繼續(xù)塑煉直至各 相分布均勻；
[0025] 4)再加入硫化劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、促進(jìn)劑、防老化劑和活化劑繼續(xù)混煉至分布均勻得共混 膠；
[0026] 5)將步驟4)共混膠加入平板硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行硫化，得到共混膠料。
[0027] 作為優(yōu)選方案，所述步驟5)中，硫化溫度范圍：160?170°C，硫化時間范圍：20? 3〇min，硫化壓力：3MPa。
[0028] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0029] 1)本發(fā)明采用丁晴橡膠、超高分子量聚乙烯、固體潤滑劑進(jìn)行共混改性，制備 一種水潤滑橡膠尾軸承的共混膠料。該材料物理力學(xué)達(dá)到我國CB/T769-2008和美國 MIL-DTL-17901C(SH)標(biāo)準(zhǔn)，其摩擦系數(shù)達(dá)到美國軍標(biāo)MIL-DTL-17901C(SH)的標(biāo)準(zhǔn)。
[0030] 2)本發(fā)明制備得到的共混膠料在低速下的摩擦系數(shù)隨速度變化負(fù)斜率絕對值小 于美國軍標(biāo)MIL-DTL-17901C(SH)的標(biāo)準(zhǔn)，即低速性能表現(xiàn)優(yōu)異。
[0031] 3)應(yīng)用本發(fā)明的共混膠料制備的水潤滑橡膠尾軸承可承受的最大局部比壓可達(dá) 0. 70MPa (日本實(shí)船調(diào)查資料顯示，在局部比壓小于0. 55MPa時，尾軸承可安全運(yùn)轉(zhuǎn)）。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的數(shù)值變化曲線

【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了更好地解釋本發(fā)明，以下結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的主要內(nèi)容，但 本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于以下實(shí)施例。
[0034] 一種橡膠與熱塑性材料的共混膠料，所述共混膠料的原料按重量份數(shù)比計包括： 60?90份的丁晴橡膠、5?30份的超高分子量聚乙烯、2?20份的固體潤滑劑、1?3份 的硫磺、0. 5?2份的促進(jìn)劑、15?20份的補(bǔ)強(qiáng)劑、1?3份的防老化劑、1?3份的活化劑 和0. 5?2份的鄰苯二甲酸二辛脂。
[0035] 根據(jù)上述范圍在具體實(shí)施例中設(shè)計共混膠料配方如下表1 :
[0036] 表 1
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述共混膠料的原料按重量份數(shù) 比計包括：60?90份的丁晴橡膠、5?30份的超高分子量聚乙烯、2?20份的固體潤滑劑、 1?3份的硫磺、0. 5?2份的促進(jìn)劑、15?20份的補(bǔ)強(qiáng)劑、1?3份的防老化劑、1?3份 的活化劑和1?5份的鄰苯二甲酸二辛脂。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述超高分子量 聚乙烯的分子量為200?300萬，其粒徑為40?80目，所述丁晴橡膠中丙烯腈含量為28? 34%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述固體潤 滑劑為石墨和二硫化鑰中任意一種或二種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述促進(jìn)劑 為二硫化四甲基秋蘭姆和一硫化四甲基秋蘭姆中任意一種或二種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述補(bǔ)強(qiáng)劑 為炭黑、白炭黑、稀土中任意一種或幾種，其中，所述炭黑中碳粒徑彡40nm;所述白炭黑中， 二氧化娃含量> 90%，其粒徑< 100nm ;所述稀土粒徑< 50nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述防老化 劑為硫醇基苯并咪唑和鋅鹽中任意一種或二種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述活化劑 為氧化鋅和硬脂酸的混合物，其中，活化劑中硬脂酸和氧化鋅的重量比為1 : 1?5。
8. 根據(jù)權(quán)利要求8所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料，其特征在于：所述氧化鋅粒徑 為 100 ?200nm。
9. 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料制備方法，其特征在于：包 括以下步驟： 1) 根據(jù)上述重量份數(shù)比計稱取丁晴橡膠、超高分子量聚乙烯、固體潤滑劑、硫磺、促進(jìn) 齊U、補(bǔ)強(qiáng)劑、防老化劑、活化劑和鄰苯二甲酸二辛脂； 2) 將步驟1)中的超高分子量聚乙烯加熱塑煉至熔融狀態(tài)； 3) 向熔融態(tài)的超高分子量聚乙烯中加入丁晴橡膠、固體潤滑劑，繼續(xù)塑煉直至各相分 布均勻； 4) 再加入硫化劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、促進(jìn)劑、防老化劑和活化劑繼續(xù)混煉至分布均勻得共混膠； 5) 將步驟4)共混膠加入平板硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行硫化，得到共混膠料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述橡膠與熱塑性材料的共混膠料制備方法，其特征在于：所述步 驟5)中，硫化溫度范圍：160?170°C，硫化時間范圍：20?30min，硫化壓力：3MPa。
【文檔編號】C08L9/02GK104231352SQ201410474735
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】周新聰, 閆志敏, 秦紅玲, 劉凱, 王浩, 徐春濤, 唐育民 申請人:武漢理工大學(xué)