炭黑和二氧化硅填充對天然橡膠性能的影響

摘 要：研究炭黑和二氧化硅填充對天然橡膠性能的影響，結果表明：炭黑填充膠料的硫化時間隨著填料量的增加而下降，二氧化硅則相反；隨著填料量的增加，膠料的最小和最大轉矩增加，焦燒時間減少.膠料拉伸強度最佳值出現(xiàn)在填料量為15phr的時候，相對于二氧化硅，炭黑更加適合填充膠料。

關鍵詞：炭黑 二氧化硅 硫化特性 機械性能

中圖分類號：TQ330.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）010-091-02

我們知道炭黑和二氧化硅是橡膠制品的重要補強劑。炭黑的補強機理一般采用的是橡膠大分子滑動學說，模型及補強如圖1所示。由于炭黑粒子表面活性不均一，有少數(shù)強的活性點以及能量不同的吸附點。吸附在炭黑表面上的橡膠鏈可以有各種不同的結合能量，有多數(shù)弱的范德華力的吸附以及少量強的化學吸附，吸附的橡膠鏈段在應力作用下會滑動伸長。所以炭黑在制備和應用過程中存在一系列的負面問題。而二氧化硅填充在輪胎的面膠中，可以降低輪胎的滾動阻力，保持較好的抗冰滑性、抗?jié)窕裕虼藨帽容^廣泛。但是，填料填充天然橡膠時用量的多少會影響膠料的性能，因此本文的目的是研究炭黑填充天然橡膠的硫化特性和機械性能，并且和二氧化硅進行了對比。

1 炭黑和二氧化硅填充對天然橡膠加工性能的影響

炭黑和二氧化硅的用量分別取15、30、50phr，其中Phr（parts per hundreds of rubber）是表示對每100 份（以質(zhì)量計）橡膠添加的份數(shù)。在表1中我們看到：

當炭黑作為填料的時候：（1）膠料的硫化時間隨著填料量的增加而減少；（2）膠料的焦燒時間隨著填料量的增加而減少；（3）膠料的最小和最大轉矩隨著填料量的增加而增加。

當二氧化硅作為填料的時候：（1）膠料的硫化時間隨著填料量的增大而增大；（2）膠料的焦燒時間隨著填料量的增大而減少而且效果顯著；（3）膠料的最小的最大轉矩隨著填料量的增大而增大。

由以上的結果分析可能造成的原因有：二氧化硅填充在斷鍵的時候需要更多能量并且其可以形成強而穩(wěn)定的網(wǎng)絡，這種結構在形變壓力解除后將阻礙膠料形變的回復，所以硫化時間長；另外由于聚合物填料之間的相互作用以及填料之間相互作用的影響導致了最小和最大扭矩值的增大。

2 炭黑和二氧化硅填充對天然橡膠機械性能的影響

本文主要研究填料對膠料拉伸強度和剪切強度的影響。拉伸強度是指材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應力；剪切強度是指材料承受剪切力的能力，填料是影響天然橡膠膠料拉伸強度的重要因素之一，填料的粒徑越小、比表面積越大，表面活性越大，填充使得天然橡膠的性能就會越好。在圖2、圖3中我們看到：膠料的拉伸強度值都是出現(xiàn)填料量為15phr的時候，之后隨著填料量的增大膠料的拉伸強度值減小，二氧化硅表現(xiàn)的更為顯著；膠料的剪切強度值隨著填料量的增大而增大，分析引起上述情況的原因是：聚合物和填料之間相互作用的降低導致了填料拉伸強度值的下降，而且在二氧化硅的表面還存在著大量的硅醇基，表面能和極性較大，而絕大多數(shù)橡膠是非極性的這就使得二氧化硅在橡膠中難以濕潤和分散，二氧化硅聚集體有附聚成聚集體的趨勢，形成二氧化硅填料網(wǎng)絡，從而影響到橡膠的性能。所以一般我們需要對二氧化硅進行化學改性，例如加入硅烷偶聯(lián)劑，用來改善二氧化硅在膠料中的分散性。

3 結束語

從以上的分析中我們可以看到炭黑和二氧化硅的填充對天然橡膠的加工性能和機械性能的影響，這樣，當選擇填充天然橡膠的填充料以及填料用量多少的時候給我們提供了依據(jù)。就目前填充料的前景來說，雖然炭黑一直占據(jù)著主導地位，但是由于炭黑自身的一些原因以及其他方面的一些原因，我們一直在選擇炭黑的替代品；而同樣作為填充料的二氧化硅在一些性能方面有超越炭黑的優(yōu)勢，但是二氧化硅也有自身性能的限制，例如二氧化硅的表面存在大量硅醇基，會影響到橡膠的性能，這樣我們在利用二氧化硅填充天然橡膠的時候為了得到我們需求性能的天然橡膠的時候就需要考慮對二氧化硅的表面進行化學改性，加入硅烷偶聯(lián)劑等?？倸w來說，研究炭黑和二氧化硅填充對天然橡膠的加工性能和機械性能的影響為我們得到更好地性能優(yōu)良的橡膠制品是有很大益處的。

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