印刷用水辊的研制

摘要  分别用木质纤维素粉、预处理棉绒短纤维和煅烧高岭土与白炭黑并用作为填料试制NBR印刷用水辊胶料，测试了硫化胶的物理机械性能和常温下的耐水性能。结果表明：随着三种填料用量的增加，硫化胶的硬度、定伸应力和拉伸强度都有不同程度的提高，扯断伸长率和回弹性有所减小，其中以添加1530份煅烧高岒土的NBR硫化胶的物理机械性提高最明显，而且回弹性降低很小，还能改善NBR的亲水性和车磨抛光性能；而添加木质纤维素粉和棉绒短纤维对NBR硫化胶的补强作用不明显，且吸水率过大。
关键词  丁腈橡胶  木质纤维素粉  棉绒短纤维  煅烧高岭土  印刷用水辊
印刷用水辊硫化胶要求具有耐磨、弹性和亲水性能好、低溶胀等性能，特别是要求胶辊表面有一定的吸附水的能力，但又不能在介质中过度膨胀。
木质纤维素粉具有质轻、浅色、在橡胶中易分散等特点，适宜制备高弹性，低硬度的制品[1、2]。棉绒短纤维是一种40目以上长短不一的纤维状絮团，经过表面处理、有利于提高与橡胶基体的相互作用，而且长径比较小，容易在橡胶中分散。木质纤维素粉和预处理棉绒短纤维表面含有大量的极性基团，有一定的吸附水能力。煅烧高岒土为无定形的疏松结构，表面存在Si－O、Al－O和部分剩余的－OH等多种活性点，同样具有一定吸附水的能力，在橡胶中填充量大，分散性好，白度高，杂质含量小等优点。
本文选择以丁腈橡胶为基体，加入适量白炭黑作增强剂，比较了木质纤维素粉、棉绒纤维和煅烧高岒土等三种具有一定吸水性的填料的用量对硫化胶物理机械性能和耐水性能的影响，并简介了胶辊成品的车磨和使用性能。
1  实验部分
1.1  原材料
NBR，Perbunan  NT3445，德国Bayer公司生产；木质纤维素粉E－140，广州金昌盛公司提供；预处理棉绒短纤维，黑龙江富锦市短纤维厂提供；煅烧高岭土，AT－01，茂名凡士高公司生产；其他均为橡胶工业常用的原材料和助剂。
1.2  主要设备及仪器
XSK－160型开放式炼胶机和QLB－D400×400电热平板硫化机（上海第一橡胶机械厂），P3555B2盘式硫化仪（北京环峰化工机械实验厂），XL－100型拉力试验机（广州广材实验议器有限公司），LX－A型邵氏橡胶硬度计（上海六中量议厂），百分测厚仪和分析天平（上海六菱仪器厂）。
1.3  基本配方（质量份，下同）
NBR，100；ZnO，5.0；硬脂酸，1.5；防老剂2246，2.0；硫黄S，2.0；促进剂DM，1.2；促进剂CZ，0.7；沉淀白炭黑，15；DOP，60；木质纤维素粉、预处理棉绒短纤维、煅烧高岭土为变量。
1.4  混炼与硫化
试验按基本配方和常规工艺进行。在XSK－160型开炼机上混炼，按生胶、活性剂、硫黄、防老剂、填料和增塑剂的顺序加入，最后加入促进剂。薄通并打6次三角包，放宽辊距3mm，打卷5次，出片。然后用P3555B2盘式硫化仪测定胶料在160℃下的硫化特性，再在QLB－D400×400电热平板硫化机上硫化[160℃×10MPa×（T90）]。
1.5  性能测试
拉伸应力－应变性能按GB/T528－1998测试（I型试样，拉伸速度500mm/min）；撕裂性能按GB/T529－1999测试（直角型试样，拉伸速度500mm/min）；邵尔A型硬度按GB/T531－1999测试；体积变化率按GB1690－1992测试；回弹性按GB1681－1991测试。
2  结果与讨论
2.1  硫化胶的物理机械性能
硫化胶的物理机械性能如表1所示。
表1不同填料对NBR硫化胶的物理机械性能的影响
试样编号 1 2 3 4 5 6 7
填料用量（份）
性能 0 木质纤维素粉
5       10 棉绒短纤维
5      10 煅烧高岭土
15      30
邵尔A硬度，度 32 36 41 38 43 36 38
100％定伸应力，MPa 0.34 0.89 1.37 1.69 2.31 0.97 1.26
300％定伸应力，MPa 0.57 1.20 1.89 2.03 2.79 1.76 2.76
拉伸强度，MPa 3.96 4.65 4.21 4.78 4.66 5.15 6.82
扯断伸长率，％ 780 670 635 570 460 680 670
扯断永久变形，％ 18 25 36 28 38 20 25
回弹性，％ 48 37 32 36 32 46 44
从表1中可以看出，木质纤维素粉、预处理棉绒短纤维和煅烧高岭土都能不同程度地提高NBR的定伸应力和硬度，而且随着用量的增加，提高越显著；硫化胶的拉伸强度也有所增加，但用量较大时，略有下降。煅烧高岭土则明显提高了硫化胶的强伸性能，且硬度和回弹性降低不大。这是因为煅烧高岭土为无定形的疏松结构，存在Si－O、Al－O和部分剩余的－OH等多种活性点，使煅烧高岭土成极性，利于与丁腈橡胶产生一定的相互作用，并有可能利于沉淀白炭黑在丁腈橡胶中的分散。
相比之下，木质纤维素粉和棉绒短纤维的加入，明显提高了硫化胶的硬度、定伸应力、扯断永久变形，降低了回弹性。木质纤维素和棉绒短纤维作为纤维状物质，表面极性基团较多，与NBR形成了较密集的化学交联和物理吸附，从而大幅度地提高了硫化胶的硬度和定伸应力，但随着伸长率的不断增大，这种密集化学交联成为应力集中点，不利于硫化胶分散拉伸应力，因而表现出较低的拉伸强度；还有，由于木质纤维素粉和棉绒短纤维粉均为硬质、各向异性的有机填料，在硫化胶中阻碍了橡胶分子的运动和弹性回复，从而降低了硫化胶的回弹性和扯断伸长率，使永久变形增加，拉伸强度提高不大。
2.2  硫化胶的耐水性能
三种不同用量的填料在常温水中分别浸泡12h、24h和48h后，NBR硫化胶的体积变化率如表2所示。
表2不同填料对NBR硫化胶的耐水性能的影响
试样编号 1 2 3 4 5 6 7
填料用量（份）
性能 0 木质纤维素粉
5       10 棉绒短纤维
5      10 煅烧高岭土
15      30
浸泡12h体积变化率，％ 0.33 0.50 0.52 0.53 0.57 0.72 0.89
浸泡24h体积变化率，％ 0.54 0.56 1.70 1.98 2.47 1.08 1.32
浸泡48h体积变化率，％ 0.55 1.87 3.00 3.44 5.91 1.55 2.02
从表2可以看出，添加煅烧高岭土、木质纤维素粉和预处理棉绒短纤维的硫化胶在水中浸泡一定时间后，体积有不同程度的增大，且随着填料用量的增加，变化率越大，其中预处理棉绒短纤维的影响尤为明显。这主要是因为木质纤维素和棉绒短纤维的表面含有大量的酚羟基、醇羟基等极性基团，很容易与水形成很强的氢键作用，而煅烧高岭土是一种无定形的疏松结构，硫化胶表面的高岭土粒子虽然受到橡胶分子的包覆，部分裸露粒子仍具有一定的吸附水的能力，但由于其表面的－OH基团较少，吸附水的能力不大。
2.3  胶辊试验结果
把铁芯除锈、涂覆CHlok205胶粘剂，晾干后，将试样编号为1、3、5、7四种胶料包覆于铁芯上，用帆布捆扎硫化，停放冷却至室温后车磨抛光。通过放大镜观察胶辊表面发现试样1、7的胶辊表面较光滑，而其余两种胶料制得的胶辊表面略为粗糙。将胶辊样品置于室温下的自来水中浸泡两小时后，样品7的表面水滴小而均匀，而其它试样的胶辊表面水滴较大。这说明煅烧高岭土可以改善硫化胶的亲水性，且易于车磨抛光。
3  结论
在本实验范围内，得到如下结论：
（1）木质纤维素粉、预处理棉绒短纤维和煅烧高岭土对15份白炭黑填充的丁腈橡胶有一定的补强作用，使硫化胶的硬度、定伸应力、拉伸强度增加，但扯断伸长率、回弹性下降。
（2）与填充5～10份木质纤维素粉和预处理棉绒短纤维相比，添加15～30份煅烧高岭土能明显提高硫化胶的力学性能，且回弹性降低不大。
（3）添加煅烧高岭土的NBR硫化胶具有较合适的亲水性，且胶辊车磨抛光性能好；与适量白炭黑并用可作为NBR印刷用水辊的理想填料。