改性棉籽蛋白對(duì)天然橡膠復(fù)合材料性能的影響

景 倩，方慶紅

(沈陽化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

在所有橡膠制品中，蛋白質(zhì)成分只存在于天然橡膠(NR)中，雖然含量不高，卻賦予NR獨(dú)特的性能，例如增加NR粘度，延長(zhǎng)其保質(zhì)期，促進(jìn)橡膠硫化[1]，提高橡膠力學(xué)性能，延緩老化[2-3]等。棉籽蛋白與NR中的蛋白質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)更加接近，所含有的0.9%～1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))棉酚色腺體，可用于橡膠制品的抗氧化劑添加物[4]。棉籽蛋白資源豐富，價(jià)格低廉，在高吸水性樹脂、纖維和塑料[5-7]等方面的應(yīng)用研究已經(jīng)逐漸展開。本研究是用間苯二酚和甲醛作為棉籽蛋白改性劑，再將改性后的棉籽蛋白等量代替炭黑N330加入NR中，考察了改性棉籽蛋白的用量對(duì)NR復(fù)合材料硫化性能、力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)性能等的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

棉籽蛋白：中棉紫光公司；間苯二酚和甲醛:分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；尿素：分析純，沈陽市東興試劑廠；氫氧化鈉：分析純，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；NR：牌號(hào)為0901，西雙版納景陽橡膠有限公司；炭黑N330：河北龍星集團(tuán)有限責(zé)任公司；其它原材料均為市售品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性棉籽蛋白的制備

(1) 蛋白質(zhì)溶液的制備：將棉籽蛋白以質(zhì)量比為1∶10的比例和含有微量尿素的水溶液混合，調(diào)節(jié)pH至9，在60 ℃恒溫水浴中攪拌30 min。

(2) 改性試劑的制備：間苯二酚與甲醛以一定比例混合，調(diào)節(jié)pH至9，室溫下迅速反應(yīng)。

(3) 改性蛋白質(zhì)的制備：將制備好的改性試劑加入蛋白質(zhì)溶液中，繼續(xù)反應(yīng)1.5 h，50 ℃干燥，粉碎待用。

1.2.2 橡膠復(fù)合材料的制備

(1) 基本配方(質(zhì)量份)：NR 100，硬脂酸 2，氧化鋅 5，防老劑4020 1，促進(jìn)劑NOBS 1.5，DOP 3，硫磺 2，改性棉籽蛋白0～12，炭黑50～38。

(2) 加工方法：將NR置于青島環(huán)球機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的160XK-160型開放式煉膠機(jī)上塑煉，依次加入硬脂酸、氧化鋅、防老劑、促進(jìn)劑、塑化劑和填料，打三角包，最后加入硫磺，混合均勻后出片?；鞜捘z放置20 h，在145 ℃×40 min條件下進(jìn)行平板硫化。

1.3 分析與測(cè)試

(1) 紅外分析：將干燥至恒重的棉籽蛋白及改性棉籽蛋白以溴化鉀壓片法，用美國Nicolet 公司生產(chǎn)的FT-IR470 型紅外光譜儀測(cè)定改性前后棉籽蛋白的結(jié)構(gòu)變化。

(2) 物理機(jī)械性能：采用美國因斯特朗公司生產(chǎn)的Instron3365型萬用拉伸機(jī)按照GB/T528—2009測(cè)定拉伸性能，拉伸速率為500 mm/min，測(cè)試溫度為室溫；采用營(yíng)口市材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的XHS型邵爾橡塑硬度計(jì)按照GB/T531.1—2008測(cè)定邵爾A硬度；采用分析天平法測(cè)定硫化膠的密度，此法根據(jù)阿基米德原理，即當(dāng)試樣浸沒于水中時(shí)，其質(zhì)量小于空氣中的質(zhì)量，減小值為試樣排開水的質(zhì)量，試樣的體積等于排開水的體積；采用臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的GT-7042-RE型沖擊彈性試驗(yàn)機(jī)按GB/T1681—1991測(cè)試沖擊彈性。

(3) 壓縮生熱：依據(jù)GB/T1687—93用臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的GT-RH-2000壓縮生熱實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的生熱性能，本實(shí)驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)試樣為高25 mm、直徑17.8 mm的圓柱，在1.0 MPa預(yù)應(yīng)力、5.71 mm沖程、55 ℃恒溫下主要測(cè)試試樣的底部溫升和試樣的壓縮變形。

(4) 熱空氣老化：依據(jù)GB/T3512—2001進(jìn)行熱空氣加速老化實(shí)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)試樣在100 ℃恒溫老化箱中保溫72 h，室溫放置4～10 h后進(jìn)行拉伸測(cè)試，計(jì)算抗拉強(qiáng)度保持率和斷裂伸長(zhǎng)率保持率，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

(5) 動(dòng)態(tài)性能：采用臺(tái)灣高鐵公司生產(chǎn)的RPA 8000橡膠加工分析儀對(duì)硫化膠進(jìn)行應(yīng)變掃描，以獲得橡膠的動(dòng)態(tài)粘彈滯后性能(儲(chǔ)能模量和損耗因子正切值)。測(cè)試條件為溫度60℃，頻率1Hz，應(yīng)變范圍10%～100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性棉籽蛋白紅外光譜

波數(shù)/cm-1圖1 棉籽蛋白及改性棉籽蛋白紅外譜圖

2.2 復(fù)合材料物理機(jī)械性能

表1是改性棉籽蛋白對(duì)橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，圖2是NR/改性棉籽蛋白材料的抗拉強(qiáng)度，圖3是NR/改性棉籽蛋白材料的斷裂伸長(zhǎng)率。

表1 改性棉籽蛋白對(duì)橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從表1可以看出，橡膠復(fù)合材料密度在1.165～1.118 g/cm3范圍內(nèi)變化，基本呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。邵氏A硬度總體逐漸下降。加入改性棉籽蛋白后回彈性較高?？骨鼡闲阅茌^好，6萬次無現(xiàn)象。由圖2和圖3可知，純炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為20.58 MPa，當(dāng)改性棉籽蛋白的用量為3份時(shí)降低為19.87 MPa，其用量為6份時(shí)達(dá)到最高值21.34 MPa，然后依次下降，加入12份改性棉籽蛋白的抗拉強(qiáng)度最低。斷裂伸長(zhǎng)率曲線呈“M型”，當(dāng)改性棉籽蛋白的用量為0份時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率為303%，當(dāng)改性棉籽蛋白的用量為6份為303%，12份時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率277%為較低點(diǎn)，結(jié)果表明，蛋白質(zhì)能夠提高橡膠復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，提高回彈性，并且使磨耗體積和抗疲勞保持在一定范圍內(nèi)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改性棉籽蛋白加入量低于9份時(shí)與橡膠得到了很好的結(jié)合，兩相相容性很好。

改性棉籽蛋白用量/phr圖2 NR/改性棉籽蛋白復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度

改性棉籽蛋白用量/phr圖3 NR/改性棉籽蛋白復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率

2.3 壓縮生熱性能

表2是改性棉籽蛋白對(duì)橡膠復(fù)合材料壓縮生熱性能的影響。

表2 改性棉籽蛋白對(duì)橡膠復(fù)合材料壓縮生熱性能的影響

由表2可以看出，加入改性棉籽蛋白，材料壓縮變形較大，在改性棉籽蛋白加入量少于9份時(shí)底部生熱降低，再繼續(xù)增加改性棉籽蛋白含量生熱有升高趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中，含有9份以內(nèi)改性棉籽蛋白的橡膠復(fù)合材料柔順性較好，在循環(huán)壓縮的環(huán)境下力學(xué)內(nèi)耗小，但是過多的改性棉籽蛋白不能都與橡膠良好相容從而大體積顆粒聚集較多，摩擦力變大，生熱變大。

2.4 老化性能

圖4為實(shí)驗(yàn)所得熱空氣老化數(shù)據(jù)，加入改性棉籽蛋白后，NR的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率保持率均較高，當(dāng)改性棉籽蛋白用量為3份時(shí)抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率保持率約80%，保持得最好。這是由于高溫環(huán)境下，NR受到蛋白質(zhì)中的氨基酸作用，提高了抗氧化性。

改性棉籽蛋白用量/phr(a)

改性棉籽蛋白用量/phr(b) 圖4 NR/改性棉籽蛋白復(fù)合材料72 h老化后拉伸性能保持率

2.5 復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能

圖5是復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)性能。圖5表示隨著蛋白質(zhì)含量變化，復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能中的應(yīng)變對(duì)儲(chǔ)能模量和損耗因子正切值產(chǎn)生的非線性特征的影響，即“Payne效應(yīng)”。從圖5(a)中的儲(chǔ)能模量變化率可以看出，含蛋白質(zhì)材料儲(chǔ)能模量數(shù)值比純炭黑材料高，并且加入6份蛋白質(zhì)的材料儲(chǔ)能模量最高，9份、12份次之，3份最低，但顯著高于純炭黑材料。蛋白質(zhì)填料在材料中比較容易聚集，導(dǎo)致含蛋白質(zhì)材料儲(chǔ)能模量比純炭黑為填料的材料隨著應(yīng)變?cè)黾幼兓矢?。從圖5(b)可以看出，純炭黑為填料的復(fù)合材料損耗因子正切值最高，改性棉籽蛋白使橡膠復(fù)合材料損耗因子正切值降低，使材料的低阻尼特性增強(qiáng)，所以增強(qiáng)了材料的使用性能。

應(yīng)變/%(a)

應(yīng)變/%(b) 圖5 不同蛋白質(zhì)用量的復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能

3 結(jié) 論

(1) 用紅外表征棉籽蛋白及改性棉籽蛋白，棉籽蛋白中的氨基被取代得到改性棉籽蛋白。

(2) 改性棉籽蛋白用量低于9份時(shí)，NR的綜合力學(xué)強(qiáng)度增加，回彈性提高，改性棉籽蛋白使NR抗老化性能提高，且在其用量為3份時(shí)拉伸力學(xué)性能保持率最高。

(3) 從復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能可以看出，改性蛋白質(zhì)使橡膠復(fù)合材料的生熱性能降低，儲(chǔ)能模量升高，損耗因子正切值降低，其中改性棉籽蛋白的用量為6份時(shí)的儲(chǔ)能模量最高，損耗因子正切值較低。

參 考 文 獻(xiàn)：

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