引言

　　三元乙丙橡膠(EPDM)因其優(yōu)異的耐老化性和柔韌性，被廣泛應(yīng)用于輸送帶、輪胎側(cè)壁及工業(yè)密封件等動(dòng)態(tài)摩擦場(chǎng)景。然而，純EPDM的耐磨性不足(如Taber磨耗量>200 mm3)限制了其在苛刻工況下的使用壽命。輕質(zhì)碳酸鈣(Light Calcium Carbonate, LCC)作為一種低成本、高填充效率的無機(jī)填料，通過物理增強(qiáng)與摩擦學(xué)優(yōu)化，可顯著提升EPDM的耐磨性能。本文從界面結(jié)合、能量耗散及微觀損傷抑制等角度，系統(tǒng)解析LCC對(duì)EPDM耐磨性的改善機(jī)制，并探討其工程應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)化路徑。

　　一、EPDM磨損機(jī)理與LCC的作用定位

　　1.1 EPDM磨損的主要形式

　　- 粘著磨損：橡膠與對(duì)磨面接觸時(shí)分子鏈的黏附-撕裂過程，占比約50%-70%;

　　- 疲勞磨損：周期性應(yīng)力下裂紋萌生與擴(kuò)展，常見于動(dòng)態(tài)密封場(chǎng)景;

　　- 磨粒磨損：硬質(zhì)顆粒劃傷表面，導(dǎo)致材料剝離。

　　1.2 LCC的摩擦學(xué)特性

　　LCC的莫氏硬度為3(高于EPDM的0.5-1.0)，其作用包括：

　　- 承載效應(yīng)：分散接觸應(yīng)力，降低基體實(shí)際接觸面積;

　　- 減摩作用：通過滾動(dòng)或剪切機(jī)制減少界面黏著;

　　- 導(dǎo)熱增強(qiáng)：加速摩擦熱擴(kuò)散，延緩熱氧老化(導(dǎo)熱系數(shù)2.93 W/m·K)。

　　二、LCC改善EPDM耐磨性的核心機(jī)制

　　2.1 界面結(jié)合強(qiáng)化與應(yīng)力分散

　　- 物理錨定效應(yīng)：LCC顆粒嵌入EPDM基體，形成“釘扎結(jié)構(gòu)”。當(dāng)填充量達(dá)20 phr時(shí)，EPDM的拉伸強(qiáng)度從8.5 MPa提升至12.1 MPa，斷裂能提高40%，有效抑制裂紋擴(kuò)展;

　　- 化學(xué)鍵合增強(qiáng)：硅烷偶聯(lián)劑(如Si-69)處理后的LCC與EPDM形成Si-O-C鍵，界面結(jié)合能提升50%。經(jīng)DIN 53516測(cè)試，改性體系的磨耗體積從210 mm3降至135 mm3。

　　2.2 摩擦界面能量耗散優(yōu)化

　　- 滾動(dòng)摩擦機(jī)制：LCC在摩擦過程中發(fā)生滾動(dòng)而非滑動(dòng)，降低摩擦系數(shù)(μ)。實(shí)驗(yàn)顯示，添加30 phr LCC可使EPDM的μ值從1.2降至0.85(對(duì)磨面為鋼);

　　- 犧牲保護(hù)層形成：LCC優(yōu)先磨損并在表面形成致密轉(zhuǎn)移膜，減少基體直接損耗。SEM觀測(cè)表明，含LCC的EPDM磨損表面粗糙度(Ra)從12.6 μm降至6.3 μm。

　　2.3 熱-機(jī)械性能協(xié)同提升

　　- 熱穩(wěn)定性強(qiáng)化：LCC延緩EPDM的熱降解，維持高溫下機(jī)械性能。在100℃磨損測(cè)試中，含LCC試樣的磨耗率較純EPDM降低60%;

　　- 動(dòng)態(tài)剛度調(diào)節(jié)：LCC填充使EPDM的儲(chǔ)能模量(E’)提高50%-80%，減少動(dòng)態(tài)變形導(dǎo)致的疲勞磨損。

　　三、影響耐磨性提升的關(guān)鍵因素

　　3.1 填料粒徑與分散性

　　- 粒徑效應(yīng)：粒徑1-3 μm的LCC可平衡承載與界面結(jié)合，磨耗體積較粗顆粒(>5 μm)減少30%;

　　- 分散控制：采用雙螺桿擠出造粒工藝，使LCC團(tuán)聚指數(shù)(CI)<1.2，耐磨性波動(dòng)范圍縮小至±5%。

　　3.2 表面改性策略

　　- 硬脂酸包覆：降低LCC表面極性，提升與EPDM相容性。改性后體系的阿克隆磨耗量從0.45 cm3/1.61 km降至0.28 cm3/1.61 km;

　　- 納米復(fù)合改性：引入2%-5%納米SiO?與LCC復(fù)配，通過“納米橋接”減少應(yīng)力集中，磨耗壽命延長(zhǎng)2.3倍。

　　3.3 填充量與配比優(yōu)化

　　- 最佳閾值：LCC填充量在25-35 phr時(shí)，EPDM的磨耗體積達(dá)最小值(約120 mm3)，過量填充(>50 phr)因團(tuán)聚導(dǎo)致磨損加劇;

　　- 協(xié)同效應(yīng)：與炭黑N330復(fù)配(LCC:CB=2:1)，磨耗性能優(yōu)于單一填料體系，成本降低20%。

　　四、工程應(yīng)用與性能驗(yàn)證

　　4.1 礦山輸送帶覆蓋膠

　　某企業(yè)采用30 phr硬脂酸改性LCC的EPDM配方，輸送帶磨耗量從0.8 cm3/1.61 km降至0.35 cm3/1.61 km，使用壽命延長(zhǎng)至18個(gè)月(原為10個(gè)月)，符合GB/T 9867-2008標(biāo)準(zhǔn)。

　　4.2 汽車雨刮器膠條

　　添加25 phr納米CaCO?/硅烷復(fù)合改性體系，膠條的往復(fù)磨損次數(shù)(ASTM D2228)從5萬次提升至12萬次，且工作噪音降低5 dB。

　　五、技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向

　　1. 多尺度界面設(shè)計(jì)：開發(fā)微米-納米級(jí)LCC梯度分布結(jié)構(gòu)，優(yōu)化應(yīng)力傳遞路徑;

　　2. 智能響應(yīng)體系：研究LCC/EPDM復(fù)合材料在溫變或載荷下的摩擦自適應(yīng)行為;

　　3. 綠色制造工藝：探索LCC表面改性的水基處理技術(shù)，減少VOCs排放。

　　結(jié)語(yǔ)

　　輕質(zhì)碳酸鈣通過界面強(qiáng)化、摩擦機(jī)制優(yōu)化及熱-機(jī)械性能協(xié)同，成為提升EPDM耐磨性的高效解決方案。未來需結(jié)合先進(jìn)表征技術(shù)與計(jì)算材料學(xué)，建立“填料特性-微觀結(jié)構(gòu)-耐磨性能”的定量模型，推動(dòng)EPDM復(fù)合材料在高端裝備領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。