炭黑對(duì)天然橡膠蠕變性能的影響

李云華，郝偉剛

（諾博橡膠制品有限公司，河北 保定 072550）

橡膠蠕變是指在一定的溫度和外力（拉力、壓力或扭力）下，橡膠變形隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大的現(xiàn)象。蠕變是橡膠粘彈性的一種表現(xiàn)，即基于分子鏈移動(dòng)或分子重排產(chǎn)生的特定現(xiàn)象[1]，也是一種力學(xué)松弛現(xiàn)象。

高分子材料的蠕變是其固有特性。橡膠采用硫化交聯(lián)的方式可以防止由于蠕變產(chǎn)生分子間滑移而造成的不可逆形變[2]。橡膠的抗蠕變能力越高，應(yīng)力松弛速率越小。不添加補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑的橡膠抗蠕變性能最好。但橡膠制品都要求有一定剛度，所以橡膠中要適當(dāng)添加補(bǔ)強(qiáng)劑。

炭黑是橡膠重要的補(bǔ)強(qiáng)劑。炭黑可以提高橡膠的彈性模量，在高伸長(zhǎng)率變形下，炭黑對(duì)橡膠的應(yīng)力松弛速率影響不大；但在低伸長(zhǎng)率變形下，炭黑品種和用量對(duì)橡膠的應(yīng)力松弛性能有較大影響[3-4]。

本工作考察炭黑品種對(duì)天然橡膠（NR）蠕變性能的影響，為抗蠕變橡膠制品選擇適宜的補(bǔ)強(qiáng)材料提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，TSR-CV60，西雙版納中化橡膠有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.997，鎮(zhèn)江白水化學(xué)有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，牌號(hào)SA-1801，嘉里油脂化學(xué)工業(yè)（天津）有限公司產(chǎn)品；炭黑N330和N774，東海橡塑（天津）有限公司產(chǎn)品；炭黑N550，卡博特化工有限公司產(chǎn)品；炭黑N990，德固賽化學(xué)有限公司產(chǎn)品；凡士林，工業(yè)級(jí)，天津市瑞達(dá)鑫華拋磨材料有限公司產(chǎn)品；硫化劑S-80（硫黃母膠粒），臺(tái)翔橡膠（深圳）有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方見(jiàn)表1。1#—4#配方分別添加30份不同品種的炭黑。

表1 試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備與儀器

3 L密煉機(jī)和203.2 mm（8英寸）開(kāi)煉機(jī)，廣東利拿機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XW-221型平板硫化機(jī)和MC010-LXS-A型邵氏硬度計(jì)，上海嚴(yán)潤(rùn)光機(jī)科技有限公司產(chǎn)品；YM-RH300T-3000CC型注射硫化機(jī)，無(wú)錫陽(yáng)明橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；M2000-FAN型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、GT-TCS-2000型電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)、GT-7049-DH型應(yīng)力松弛蠕變儀和 GT-7017-EM型老化試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品。

1.4 工藝流程

膠料混煉分4段進(jìn)行。一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，密煉室初始溫度為40 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為32 r·min-1，加料順序?yàn)椋荷z→小料→炭黑→凡士林→排膠（125 ℃）。

二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，輥距調(diào)至3 mm，混煉工藝為：一段混煉膠→翻煉→下片，停放24 h。

三段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，密煉室初始溫度為40 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為32 r·min-1，加料順序?yàn)椋憾位鞜捘z→硫化劑和促進(jìn)劑→排膠（110 ℃）。

四段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，輥距調(diào)至3 mm，混煉工藝為：三段混煉膠→翻煉→下片，停放16 h。

1.5 性能測(cè)試

膠料蠕變性能按照GB/T 19242—2003《硫化橡膠在壓縮或剪切狀態(tài)下蠕變的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)載荷為540 N，溫度為85 ℃，時(shí)間為960 h，壓縮蠕變指數(shù)計(jì)算公式如下。

壓縮蠕變指數(shù)＝（ε2-ε1）/ε1＝（δ1-δ2）/（δ0-δ1）式中，ε1為施加載荷10 min時(shí)的壓縮應(yīng)變；ε2為規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間（960 h）的壓縮應(yīng)變；δ0為試樣的初始厚度，mm；δ1為施加載荷10 min時(shí)的試樣厚度，mm；δ2為規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間（960 h）的試樣厚度，mm。

膠料其他性能測(cè)試按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

炭黑品種對(duì)NR膠料硫化特性的影響見(jiàn)表2。從表2可以看出，隨著炭黑粒徑增大、比表面積減小，膠料的FL和Fmax總體減小，t10和t90逐漸延長(zhǎng)，F(xiàn)max減小表明膠料的結(jié)合膠含量減小，即炭黑表面吸附的橡膠量減小[5]，炭黑對(duì)膠料的補(bǔ)強(qiáng)性能降低。

表2 炭黑品種對(duì)NR膠料硫化特性的影響

2.2 物理性能和蠕變性能

炭黑品種對(duì)NR膠料物理性能和蠕變性能的影響見(jiàn)表3。從表3可以看出：隨著炭黑粒徑增大，膠料的硬度、100%定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度總體下降，炭黑對(duì)膠料的補(bǔ)強(qiáng)性能下降；炭黑N330與N774膠料的壓縮蠕變指數(shù)相當(dāng)，抗蠕變性能相當(dāng)；炭黑N990膠料的壓縮蠕變指數(shù)最大，抗蠕變性能最差；炭黑N550膠料的壓縮蠕變指數(shù)最小，抗蠕變性能最好。

表3 炭黑品種對(duì)NR膠料物理性能和蠕變性能的影響

研究表明[6]，在一定炭黑用量下，NR膠料蠕變量隨炭黑粒徑增大而減小，即大粒徑炭黑膠料的蠕變小。然而，膠料模量不僅由炭黑粒徑?jīng)Q定，還受炭黑結(jié)構(gòu)的影響。高結(jié)構(gòu)炭黑（如炭黑N550）比低結(jié)構(gòu)炭黑（如炭黑N774和N990）模量（或硬度）大。因此，填充較少量的高結(jié)構(gòu)炭黑就可以使膠料達(dá)到預(yù)定模量（或硬度）。從壓縮蠕變指數(shù)的測(cè)試方法和計(jì)算公式可以看出，在相同載荷下，試樣的ε1對(duì)蠕變量具有決定性作用。炭黑N990膠料的硬度和定伸應(yīng)力較低、施加載荷的初始形變較大，因此壓縮蠕變指數(shù)較大；炭黑N550膠料的硬度和定伸應(yīng)力較高、施加載荷的初始形變較小，因此壓縮蠕變指數(shù)較小。

2.3 制品性能

采用炭黑N550的2#配方試制某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（SUV）發(fā)動(dòng)機(jī)懸置總成橡膠件，并與炭黑N774的3#配方橡膠件對(duì)比，蠕變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置總成橡膠件動(dòng)靜剛度的影響見(jiàn)表4。從表4可以看出：試驗(yàn)橡膠件和生產(chǎn)橡膠件蠕變前的靜剛度相差不大，動(dòng)剛度相差較大，蠕變后的靜剛度和動(dòng)剛度均增大，動(dòng)剛度的變化率大于靜剛度；與生產(chǎn)橡膠件相比，試驗(yàn)橡膠件蠕變量較小，動(dòng)剛度的變化率明顯小于生產(chǎn)橡膠件，說(shuō)明試驗(yàn)橡膠件抗蠕變性能較好。在一定溫度和外力（拉力、壓力或扭力）下，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置總成橡膠件的蠕變量越小，其剛度變化率越小，更有利于降低車(chē)輛的噪聲，減小車(chē)輛振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）性能。

表4 蠕變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置總成橡膠件動(dòng)靜剛度的影響

3 結(jié)論

（1）隨著炭黑粒徑增大、比表面積減小，NR膠料的FL和Fmax總體減小，t10和t90延長(zhǎng)，結(jié)合膠含量減小。

（2）炭黑N330與N774膠料的抗蠕變性能相當(dāng)，炭黑N990膠料的抗蠕變性能較差，炭黑N550膠料的抗蠕變性能較好。

（3）采用炭黑N550膠料的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置總成橡膠件蠕變量小，動(dòng)剛度變化率小，抗蠕變性能較好。