凹凸棒土在天然橡膠/三元乙丙橡膠中的應(yīng)用研究

王國志，劉曉蕾，宋帥帥，侯亞合，翁國文，鄭貝

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

凹凸棒土在天然橡膠/三元乙丙橡膠中的應(yīng)用研究

Application of attapulgite in natural rubber/EPDM

王國志，劉曉蕾，宋帥帥，侯亞合，翁國文，鄭貝

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

采用不同類型的改性后的新型凹凸棒土與天然橡膠/三元乙丙橡膠混合，制備出性能優(yōu)異的AT/NR/EPDM納米復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能進(jìn)行測試。研究結(jié)果表明，凹凸棒土R61型號的各方面的性能優(yōu)于R51，R11型號的凹凸棒土，并且當(dāng)凹凸棒土用量為40份時(shí)，AT/NR/EPDM復(fù)合材料綜合性能最好，其定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度、硬度分別達(dá)到1.07 MPa，15.55 MPa和51邵氏A，其配方為：NR:EPDM=1:1,氧化鋅4份，硬脂酸2份，古馬隆2份，促進(jìn)劑1.4份，防老劑3份，硫磺2份，石蠟油10份，聚乙二醇4份，凹凸棒土（R61）40份。

凹凸棒土；天然橡膠；三元乙丙橡膠

凹凸棒土，簡稱凹凸土（attapulgite,AT），又名 坡 縷 石（palygorskite）， 其 化 學(xué) 分 子 式 為：Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4.4H2O。AT是一種層鏈狀過渡結(jié)構(gòu)的以含水富鎂硅酸鹽為主的黏土，國內(nèi)于1979年首次發(fā)現(xiàn)凹凸棒土[1]。AT最小結(jié)構(gòu)單元是直徑20~40 nm，長度500~5 000 nm的納米單晶，單晶平行排列形成晶束，晶束又相互聚集形成各種聚集體[2]。因此，從結(jié)構(gòu)尺寸上來看，AT是高分子材料的理想補(bǔ)強(qiáng)劑。此外，相對于炭黑、白炭黑這些傳統(tǒng)填料，AT儲量豐富，價(jià)格低廉，可較好的解決未來因納米技術(shù)改造傳統(tǒng)復(fù)合材料所出現(xiàn)的人工納米單元材料批量小、成本高等問題。因此利用AT的一維納米棒晶對AT進(jìn)行高附加值開發(fā)無論從理論上還是實(shí)際應(yīng)用都具有重要的意義[6~7]。

乙丙橡膠有優(yōu)異的耐水蒸汽性能并優(yōu)于其耐熱性。在230 ℃過熱蒸汽中，近100 h后外觀無變化[3]。乙丙橡膠耐過熱水性能亦較好，但與所用硫化系統(tǒng)密切相關(guān)。以二硫代二嗎啡啉、TMTD為硫化系統(tǒng)的乙丙橡膠，在125 ℃過熱水中浸泡15個月后，力學(xué)性能變化甚小，體積膨脹率僅0.3%[4]。乙丙橡膠具有優(yōu)異的電絕緣性能和耐電暈性，電性能優(yōu)于或接近丁苯橡膠、氯磺化聚乙烯、聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯。由于乙丙橡膠分子結(jié)構(gòu)中無極性取代基，分子內(nèi)聚能低，分子鏈可在較寬范圍內(nèi)保持柔順性，僅次于天然橡膠和順丁橡膠，并在低溫下仍能保持。乙丙橡膠由于分子結(jié)構(gòu)中缺少活性基團(tuán)，內(nèi)聚能低，加上膠料易于噴霜，自黏性和互黏性很差[5]。

天然橡膠具有優(yōu)異的綜合物理機(jī)械性能,在常溫下具有很好的彈性。其密度為0.913 g/cm，彈性模量為2~4 MPa，而伸長率最大可達(dá)1 000%。在0~100 ℃范圍內(nèi)，天然橡膠的回彈性可達(dá)到50%~85%以上。天然橡膠常溫為高彈性體，玻璃化溫度為-72 ℃，受熱后緩慢軟化，在130~140 ℃開始流動，200 ℃左右開始分解，270 ℃劇烈分解。天然橡膠不耐環(huán)己烷、汽油、苯等介質(zhì)，不溶于極性的丙酮、乙醇等，不溶于水，耐10%的氫氟酸、20%鹽酸、30%硫酸、50%的氫氧化鈉等。不耐濃強(qiáng)酸和氧化性強(qiáng)的高錳酸鉀、重酸鉀等[8~9]。天然橡膠由于相對分子質(zhì)量高、相當(dāng)分子質(zhì)量分布寬，分子鏈易于斷裂，再加上生膠中存在一定數(shù)量的凝膠分子，因此很容易進(jìn)行塑煉、混煉、壓延、壓出、成型等[10]。

因此，本文主要研究不同型號及不同份數(shù)凹凸棒土填充NR/EPDM的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

三元乙丙橡膠，天然橡膠（吉林石化）；凹凸棒土（R51，R61，R11)，玖川納米材料科技有限公司。

1.2 膠料的制備

將雙輥開放式煉膠機(jī)啟動，開啟冷卻水，將輥距調(diào)小，投放生膠，進(jìn)行破膠形成連續(xù)的包輥膠后，按基本配方依次加入氧化鋅、硬脂酸、促進(jìn)劑NOBS、防老劑4010NA、防老劑D、古馬隆、凹凸棒土、石蠟油、聚乙二醇，最后加入促進(jìn)劑TT和硫磺后混煉，混煉溫度控制在50~70 ℃?；鞜掃^程中采用小輥距薄通法，經(jīng)多次反復(fù)搗膠壓煉使膠料與各種配合劑、填料以及硫磺充分混合。

1.3 工藝流程

本次試驗(yàn)主要工藝流程圖如圖1。

圖1 工藝流程圖

1.4 工藝要求

1.4.1 煉膠

在煉膠機(jī)上將各種配合劑均勻的加入具有一定塑性的生膠中。在混煉過程中要保證配合劑均勻分散，否則會對橡膠的一些性能造成影響。輥距為（1.7±0.2）mm，前輥溫55 ℃，后輥60 ℃；薄通3~5次；下片厚為（3.0±0.2）mm。

1.4.2 硫化

通過無轉(zhuǎn)子硫化儀GT-M2000A 測出最佳硫化時(shí)間，然后將膠料停放24 h后放入平板硫化機(jī)QLB-100中，在153 ℃、10~15 MPa下硫化，使橡膠制品的宏觀特征、微觀結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，從而獲得制品要求的物理機(jī)械性能和相應(yīng)的使用性能的試片[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理機(jī)械性能

2.1.1 老化前物理機(jī)械性能

從表1中可以看出，拉伸強(qiáng)度最大的是R61-20AT，為4.40 MPa；定伸應(yīng)力最大的是R61-30AT，為0.99 MPa；撕裂強(qiáng)度最大的是R61-20AT和R61-40AT，為15.55 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R61-20AT，為577%；硬度最大的是R61-40AT，為51邵氏A。

表1 R61型號的AT/NR/EPDM的物理機(jī)械性能數(shù)據(jù)

從表2中可以看出，拉伸強(qiáng)度最大的是R51-30AT，為4.80 MPa；定伸應(yīng)力最大的是R51-40AT，為0.91 MPa；撕裂強(qiáng)度最大的是R51-40AT，為15.43 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R51-30AT，為781%；硬度最大的是R51-40AT，為46邵氏A。

表2 R51型號的AT/NR/EPDM的物理機(jī)械性能數(shù)據(jù)

從表3中可以看出，拉伸強(qiáng)度最大的是R11-30AT，為4.25 MPa；定伸應(yīng)力最大的是R11-40AT，為0.90 MPa；撕裂強(qiáng)度最大的是R11-40AT，為16.11 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R11-40AT，為646%；硬度最大的是R11-40AT，為48邵氏A。

表3 R11型號的AT/NR/EPDM的物理機(jī)械性能數(shù)據(jù)

2.1.2 老化后物理機(jī)械性能

從表4中可以看出，拉伸強(qiáng)度最大的是R61-20AT，為4.55 MPa；定伸應(yīng)力最大的是R61-40AT，為1.21 MPa；撕裂強(qiáng)度最大的是R61-40AT，為17.58 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R61-20AT，為504%；硬度最大的是R61-40AT，為51邵氏A。

表4 R61型號的AT/NR/EPDM的物理機(jī)械性能數(shù)據(jù)

從表5中可以看出，拉伸強(qiáng)度最大的是R51-40AT，為4.50 MPa；定伸應(yīng)力最大的是R51-40AT，為0.84 MPa；撕裂強(qiáng)度最大的是R51-40AT，為16.13 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R51-20AT，為720%；硬度最大的是R51-40AT，為50邵氏A。

表5 R51型號的AT/NR/EPDM的物理機(jī)械性能數(shù)據(jù)

從表6中可以看出，拉伸強(qiáng)度最大的是R11-40AT，為4.46 MPa；定伸應(yīng)力最大的是R11-40AT，為1.02 MPa；撕裂強(qiáng)度最大的是R11-40AT，為17.22 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R11-40AT，為567%；硬度最大的是R11-40AT，為52邵氏A。

表6 R11型號的AT/NR/EPDM的物理機(jī)械性能數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）本次試驗(yàn)中，老化前拉伸強(qiáng)度在R51-30AT處最優(yōu)，為4.80 MPa，R61的膠料綜合性能最好。

（2）本次試驗(yàn)中，老化前定伸應(yīng)力在R61-40AT處最優(yōu)，為1.07 MPa，R61的膠料綜合性能最好；老化后為1.21 MPa，R61的膠料綜合性能最好；老化后的最大定伸應(yīng)力大于老化前的最大定伸應(yīng)力。

（3）本次試驗(yàn)中，老化前撕裂強(qiáng)度在R11-40AT處最好，為16.11 kN/m，R11的膠料綜合性能最好；老化后撕裂強(qiáng)度在R61-40AT處最好，為17.58 kN/m。

（4）本次試驗(yàn)中，老化前100%扯斷伸長率在R51-30AT處最佳，為781%，R51的膠料綜合性能最好；老化后100%扯斷伸長率在R51-20AT處最優(yōu)，為720%，R51的膠料綜合性能最好。

（5）本次試驗(yàn)中，老化前硬度在R61-40AT處最優(yōu)，為51邵氏A，R61的膠料綜合性能最好；老化后硬度在R61-40AT處最優(yōu)，為54邵氏A，R61的膠料性能最好。

（6）綜合性能最好的配方為R61-40AT，配方為：三元乙丙橡膠/天然橡膠：50/50；氧化鋅4，硬脂酸2，促進(jìn)劑NOBS1，促進(jìn)劑TT0.4，古馬隆2，防老劑4010NA1.8，防老劑D2，石蠟油10，凹凸棒土（R61）40。

[1] 梁文利，田明.凹凸棒土增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的制備及其結(jié)構(gòu)與性能研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,26(3).

[2] 彭書傳，范文元.改性凹凸棒粘土作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑的研究.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,19(3).

[3] 聶恒凱.橡膠材料與配方[T]； 2版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社,2009,6.

[4] 曲成東，田 明，馮予星，等.凹凸棒土/聚合物復(fù)合材料研究進(jìn)展.合成橡膠工業(yè),2003,26(1)．

[5] 張玉龍，孫敏．橡膠品種與性能手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006,46~55.

[6] 馬玉衡,方為民,馬小潔.凹凸棒土的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].2004,37,25.

[7] 謝遂志，等，橡膠工業(yè)手冊（第一，二分冊）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

[8] 聶恒凱.橡膠材料與配方[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009,16~17.

[9] 翁國文.實(shí)用橡膠配方技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008,41.

[10] 翁國文．配合與塑混煉操作技術(shù)[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008,28~32.

[11] 聶恒凱，徐志和，韋幫風(fēng).橡膠通用工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009,51.

（R-02）

TQ332 TQ333.4 TQ110.4

1009-797X(2016)07-0053-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.015

王國志（1979-），男，碩士，主要研究方向?yàn)橄鹉z加工與應(yīng)用。

2015-06-02