橡胶与热塑性材料的共混胶料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种橡胶与热塑性材料的共混胶料，所述共混胶料的原料按重量份数比计包括：60～90份的丁晴橡胶、5～30份的超高分子量聚乙烯、2～20份的固体润滑剂、1～3份的硫磺、0.5～2份的促进剂、15～20份的补强剂、1～3份的防老化剂、1～3份的活化剂和1～5份的邻苯二甲酸二辛脂。该方法首先将上述原料混合均匀，然后混合均匀的共混胶加入平板硫化机内进行硫化，得到共混胶料。应用本发明的共混胶料制备的水润滑橡胶尾轴承可承受的最大局部比压可达0.70MPa。
【专利说明】橡胶与热塑性材料的共混胶料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶水润滑复合橡胶尾轴承材料的【技术领域】，具体地指一种橡胶与热 塑性材料的共混胶料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 水润滑轴承与传统的油润滑轴承相比在材料选择上存在较大的差异，这主要是由 于工作介质发生较大的改变所致。主要是因为水润滑轴承用水作润滑剂，水对金属材料的 腐蚀性较大，水的粘度低，水膜薄且难以形成。因而在水润滑橡胶尾轴承材料的选择上就必 须更加注重材料的自润滑性能以及减振抗噪的能力。对舰船尾管用水润滑橡胶尾轴承材料 性能要求则更高，需具备：良好的自润滑性能，以降低其在中低速段的摩擦系数；良好的减 振降噪性能，以减少舰船水润滑尾轴承摩擦振动及噪声，增强其乘坐舒适性、隐蔽性和生存 能力；高比压，以提高尾轴承的承载能力，降低零部件的质量、体积，增强舰船的便捷性；优 良的物理力学性能，如高的扯断强度，低的吸水膨胀率、高温不蠕变、不水解等；低的系统磨 损，以延长使用寿命，节省运行维护的成本。
[0003] 水润滑尾轴承材料的使用主要经历了两个阶段：水润滑尾管轴承材料的使用经历 了两个阶段。
[0004] 第一阶段是以铁犁木为代表的木质和棉质材料。
[0005] 第二阶段是以橡胶为代表的高弹性高分子化合物。水润滑天然橡胶轴承出现在 20世纪20年代。二战期间发现天然橡胶在高速冲击力作用下会发生不可逆的硫化还原， 甚至还原到浆糊状液态而迅速的被丁腈、氯丁等单体橡胶取代。丁晴、氯丁等水润滑橡胶 轴承的突出优点是吸震、抗冲击性能优异，不污染水域。但缺点也很突出：承载能力低，设计 比压只有油润滑轴承的1/3。在启动、停机、低速运转等工况下，会产生振动噪声（Bearing Noise)，严重威胁舰船的安全性、隐蔽性及生存能力，对水下潜器来说这是致命的弱点。因 此对橡胶材料的改性一直是研究热点之一。
[0006] 美国为降低水下潜器尾部噪声，在上世纪七十年代开展了以橡胶为基体的复合材 料的研究，最终形成系列包括MIL-DTL-17901C (SH)在内的系列水润滑橡胶轴承军用标准， 使其在该领域处于世界领先地位。美国专利4735982公布的材料是通过共混改性法制备 的。该材料以超高分子量聚乙烯（UHMWPE)、硫化橡胶和石墨等粉体为主要原料，混合均匀后 经模压制造轴承。具有硬度高，摩擦系数低，系统磨损率低，承载比压高的特点。
[0007] 国内对橡胶轴承材料的改性主要通过添加碳纤维，纳米ZnOw等进行补强改性。此 种改性方法虽然可以在一定程度上提高橡胶基体材料的承载能力和物理力学性能，但是性 能提高空间有限，补强材料添加过多，则会破坏材料本身的弹性和物理力学性能。也有学者 通过表面氢化或高能量离子处理提高橡胶材料表面的亲水性，以使其边界润滑效果更好， 更易形成流体动压润滑。我国在舰船上使用水润滑轴承的历史也很悠久，取得了一些经验。 但材料的摩擦系数、振动噪声相对较高，尤其是在低速时。
【发明内容】
[0008] 本发明针对水润滑橡胶尾轴承材料的上述问题，提供一种橡胶与热塑性材料的共 混胶料及其制备方法，制备得到共混胶料具有良好的低速性能，且减振降噪性能优异，承载 能力高的特点。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供的一种橡胶与热塑性材料的共混胶料，所述共 混胶料的原料按重量份数比计包括：60?90份的丁晴橡胶、5?30份的超高分子量聚乙 烯、2?20份的固体润滑剂、1?3份的硫磺、0. 5?2份的促进剂、15?20份的补强剂、 1?3份的防老化剂、1?3份的活化剂和1?5份的邻苯二甲酸二辛脂。
[0010] 丁腈橡胶（丁二烯一丙烯腈橡胶，简称NBR)，由丁二烯与丙烯腈共聚而制得的一 种合成橡胶，平均分子量70万左右。硫磺能与丁腈橡胶进行硫化反应。邻苯二甲酸二辛脂 具有增塑剂的作用。
[0011] NBR结合丙烯腈量大体可分为极高腈（42?53% )，高腈（35?41 % )，中高腈 (28?34%)，中腈（24?27%)和低腈（16?23%) 5种。NBR中结合丙烯腈量增加时， 其分子极性增加，对溶剂的稳定性提高，耐磨性和气密性改善；耐寒性、回弹性及压缩永久 变形性能下降；另外，随着结合丙烯腈量的增加，丁腈橡胶的拉伸强度、弹性模量、抗撕裂强 度和硬度均增大，而扯断伸长率下降；化学稳定性和耐热性提高；硫化速度加快，门尼焦烧 时间变短；流动性和动态力学性能变差；与PVC的相容性变好。
[0012] 不同牌号的NBR的分子量分布差异较大。分布宽时，可塑性及加工性能改善，但过 宽时，拉伸强度和弹性模量等性能下降。聚合时必须控制适当的分子量和分子量分布。
[0013] 试验证明：当丁腈橡胶中丙烯腈含量为28?34%时，水润滑尾轴承材料的耐磨、 减振降噪性能最优。
[0014] 进一步地，所述超商分子量聚乙烯的分子量为200?300万，其粒径为40?80目， 所述丁晴橡胶中丙烯腈含量为28?34%。
[0015] 再进一步地，所述固体润滑剂为石墨和二硫化钥中任意一种或二种。石墨能够改 善共混胶料的自润滑性能。石墨纯度> 50ppm，纯度越大，石墨与其他胶料更充分的共混。 [0016] 再进一步地，所述促进剂为二硫化四甲基秋兰姆和一硫化四甲基秋兰姆中任意一 种或二种。促进剂能加速交联反应，改善硫化胶性能，提高老化性。
[0017] 再进一步地，所述补强剂为炭黑、白炭黑、稀土中任意一种或几种，其中，所述 炭黑中碳粒径彡40nm，所述白炭黑为沉淀法白炭黑，其中二氧化娃含量> 90%，其粒径 < 100nm ;所述稀土粒径< 50nm。
[0018] 炭黑、白炭黑和稀土是复合橡胶材料的重要补强剂，可以提高拉伸强度和撕裂强 度。
[0019] 再进一步地，所述防老化剂为硫醇基苯并咪唑（MB)和锌盐（MBZ)中任意一种或二 种。
[0020] 再进一步地，所述活化剂为氧化锌和硬脂酸的混合物，其中，活化剂中硬脂酸和氧 化锌的重量比为1 : 1?5。氧化锌粒径为100?200nm。
[0021] 本发明还提供了一种橡胶与热塑性材料的共混胶料制备方法，包括以下步骤：
[0022] 1)根据上述重量份数比计称取丁晴橡胶、超高分子量聚乙烯、固体润滑剂、硫磺、 促进剂、补强剂、防老化剂、活化剂和邻苯二甲酸二辛脂；
[0023] 2)将步骤1)中的超高分子量聚乙烯加热塑炼至熔融状态；
[0024] 3)向熔融态的超高分子量聚乙烯中加入丁晴橡胶、固体润滑剂，继续塑炼直至各 相分布均匀；
[0025] 4)再加入硫化剂、补强剂、促进剂、防老化剂和活化剂继续混炼至分布均匀得共混 胶；
[0026] 5)将步骤4)共混胶加入平板硫化机内进行硫化，得到共混胶料。
[0027] 作为优选方案，所述步骤5)中，硫化温度范围：160?170°C，硫化时间范围：20? 3〇min，硫化压力：3MPa。
[0028] 本发明的有益效果在于：
[0029] 1)本发明采用丁晴橡胶、超高分子量聚乙烯、固体润滑剂进行共混改性，制备 一种水润滑橡胶尾轴承的共混胶料。该材料物理力学达到我国CB/T769-2008和美国 MIL-DTL-17901C(SH)标准，其摩擦系数达到美国军标MIL-DTL-17901C(SH)的标准。
[0030] 2)本发明制备得到的共混胶料在低速下的摩擦系数随速度变化负斜率绝对值小 于美国军标MIL-DTL-17901C(SH)的标准，即低速性能表现优异。
[0031] 3)应用本发明的共混胶料制备的水润滑橡胶尾轴承可承受的最大局部比压可达 0. 70MPa (日本实船调查资料显示，在局部比压小于0. 55MPa时，尾轴承可安全运转）。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1为摩擦系数随转速的数值变化曲线
【具体实施方式】
[0033] 为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但 本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
[0034] 一种橡胶与热塑性材料的共混胶料，所述共混胶料的原料按重量份数比计包括： 60?90份的丁晴橡胶、5?30份的超高分子量聚乙烯、2?20份的固体润滑剂、1?3份 的硫磺、0. 5?2份的促进剂、15?20份的补强剂、1?3份的防老化剂、1?3份的活化剂 和0. 5?2份的邻苯二甲酸二辛脂。
[0035] 根据上述范围在具体实施例中设计共混胶料配方如下表1 :
[0036] 表 1
[0037]
【权利要求】
1. 一种橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述共混胶料的原料按重量份数 比计包括：60?90份的丁晴橡胶、5?30份的超高分子量聚乙烯、2?20份的固体润滑剂、 1?3份的硫磺、0. 5?2份的促进剂、15?20份的补强剂、1?3份的防老化剂、1?3份 的活化剂和1?5份的邻苯二甲酸二辛脂。
2. 根据权利要求1所述橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述超高分子量 聚乙烯的分子量为200?300万，其粒径为40?80目，所述丁晴橡胶中丙烯腈含量为28? 34%。
3. 根据权利要求1或2所述橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述固体润 滑剂为石墨和二硫化钥中任意一种或二种。
4. 根据权利要求1或2所述橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述促进剂 为二硫化四甲基秋兰姆和一硫化四甲基秋兰姆中任意一种或二种。
5. 根据权利要求1或2所述橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述补强剂 为炭黑、白炭黑、稀土中任意一种或几种，其中，所述炭黑中碳粒径彡40nm;所述白炭黑中， 二氧化娃含量> 90%，其粒径< 100nm ;所述稀土粒径< 50nm。
6. 根据权利要求1或2所述橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述防老化 剂为硫醇基苯并咪唑和锌盐中任意一种或二种。
7. 根据权利要求1或2所述橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述活化剂 为氧化锌和硬脂酸的混合物，其中，活化剂中硬脂酸和氧化锌的重量比为1 : 1?5。
8. 根据权利要求8所述橡胶与热塑性材料的共混胶料，其特征在于：所述氧化锌粒径 为 100 ?200nm。
9. 一种根据权利要求1所述橡胶与热塑性材料的共混胶料制备方法，其特征在于：包 括以下步骤： 1) 根据上述重量份数比计称取丁晴橡胶、超高分子量聚乙烯、固体润滑剂、硫磺、促进 齐U、补强剂、防老化剂、活化剂和邻苯二甲酸二辛脂； 2) 将步骤1)中的超高分子量聚乙烯加热塑炼至熔融状态； 3) 向熔融态的超高分子量聚乙烯中加入丁晴橡胶、固体润滑剂，继续塑炼直至各相分 布均匀； 4) 再加入硫化剂、补强剂、促进剂、防老化剂和活化剂继续混炼至分布均匀得共混胶； 5) 将步骤4)共混胶加入平板硫化机内进行硫化，得到共混胶料。
10. 根据权利要求9所述橡胶与热塑性材料的共混胶料制备方法，其特征在于：所述步 骤5)中，硫化温度范围：160?170°C，硫化时间范围：20?30min，硫化压力：3MPa。
【文档编号】C08L9/02GK104231352SQ201410474735
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】周新聪, 闫志敏, 秦红玲, 刘凯, 王浩, 徐春涛, 唐育民 申请人:武汉理工大学