新型低滯后炭黑對(duì)硫化膠物理性能及動(dòng)態(tài)生熱的影響

李旭,于祥,林堯 ,鄧濤

(青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

炭黑是由含炭顆粒在火焰中不完全氧化而形成的團(tuán)聚體組成的,這些團(tuán)聚體會(huì)相互結(jié)合而成附聚體和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),當(dāng)膠料變形時(shí)后者又會(huì)完全分離成其原先的組成單元團(tuán)聚體。炭黑的最重要性能之一是比表面積,以m2/g表示。一般說來,炭黑的疏松度越高每一團(tuán)聚體中的顆粒數(shù)Np越多但是DBPA值與Np之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系還在某種程度上決定于炭黑的制作方法。橡膠制品受到的力是交變的，即應(yīng)力呈周期性變化，因此有必要研究硫化膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)。橡膠制品動(dòng)態(tài)條件下使用特點(diǎn)是一定變形下，頻率較高，基本上處于平衡狀態(tài)下是一種非破壞的性質(zhì)。橡膠動(dòng)態(tài)模量會(huì)受炭黑影響，加入炭黑使彈性模量、損耗模量均增加。炭黑的比表面積大、活性高、結(jié)構(gòu)高均使彈性模量、損耗模量增加，而損耗模量、損耗因子大會(huì)使生熱增大。橡膠制品在動(dòng)態(tài)下使用要求具有一定的物理機(jī)械強(qiáng)度且溫升要低以增加橡膠制品的使用壽命。因此通過使用低滯后炭黑，在保證物理機(jī)械性能的前提下降低動(dòng)態(tài)生熱具有理論與應(yīng)用價(jià)值[1～10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

NR，越南3L標(biāo)準(zhǔn)膠；黑貓HM-G411炭黑，江西黑貓?zhí)亢谟邢薰?；BR9000，中國石化；N330炭黑，江西黑貓?zhí)亢谟邢薰?；N660炭黑，江西黑貓?zhí)亢谟邢薰?；其他藥品均為市售?/p>

1.2 設(shè)備與儀器

SK-160B型雙輥開煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠；平板硫化機(jī)，LCM-3C2-G03-LM，深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司；GT-7017-M型老化箱，臺(tái)灣高鐵公司；硫化儀，M-3000A，臺(tái)灣高鐵公司；門尼黏度儀，MV-3000，臺(tái)灣高鐵公司；電子拉力機(jī)，JDL-2500N，天發(fā)試驗(yàn)機(jī)械有限公司；橡膠加工分析儀，RPA2000，ALPHA公司。

1.3 性能測試

硫化性能：按GB/T 16584—1996測試，硫化溫度150℃；拉伸性能：采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 528—1998進(jìn)行測試，拉伸速度為500 mm/min，測試溫度為室溫；熱空氣老化：按GB/T 3512—2001測試，在100℃下老化24 h；邵爾硬度按GB/T531.1—2008測定；動(dòng)態(tài)壓縮變形：測量壓縮生熱樣高度h1，壓縮生熱測試完畢后試樣常溫靜置1 h后測試試樣高度h2，變形率為（h1- h2）/h1

1.4 試樣制備

表1為試驗(yàn)方設(shè)計(jì)的配方組成。

表1 試驗(yàn)配方

配方中其他成分：天然膠 65；BR9000 35；再生膠 87；小料 18；補(bǔ)強(qiáng)填充體系 63；防老體系 3.5；硫化體系 6.8。

1.4.1 混煉

開煉機(jī)調(diào)整輥距，將塑煉好的NR、BR9000、再生膠放入輥隙，使之包輥產(chǎn)生適量堆積膠，加入小料、補(bǔ)強(qiáng)填充體系、硫化體系，切割翻煉，薄通后打三角包5～6次，調(diào)整輥距及擋膠板至合適距離后下片，停放8 h以上待用。

1.4.2 硫化

膠料的硫化條件：采用平板硫化機(jī)硫化，硫化溫度為150℃，硫化壓力不小于10 MPa，硫化時(shí)間為各膠料的硫化曲線tc90對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 HM-G411炭黑對(duì)硫化膠硫化性能及門尼黏度的影響

由于硫化特性與門尼黏度是壓縮膠硫化、加工的重要保障，因此研究了HM-G411對(duì)V帶壓縮膠硫化性能及門尼黏度的影響。

表2為HM-G411炭黑對(duì)硫化膠硫化性能的影響。

表2 HM-G411對(duì)硫化膠硫化特性的影響

由表2可以看出，隨著HM-G411炭黑替代N330的量不斷增加，T10略有增加，這有利于提高加工安全性，同時(shí)T90、MH-ML均增大，說明HMG411相較于N330分散性更好形成了更多的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從而使得T90、MH-ML增大。

HM-G411炭黑對(duì)硫化膠門尼黏度的影響見圖1。由圖1可知，隨著HM-G411替代N330的量增加門尼黏度有所增大，說明HM-G411相比N330形成了更多的物理交聯(lián)鍵，但門尼黏度增加幅度不大因此并不影響混煉膠的加工性能。

2.2 HM-G411炭黑對(duì)硫化膠物理機(jī)械性能的影響

物理機(jī)械性能是壓縮膠使用性能的重要保障，因此研究了HM-G411炭黑替代量對(duì)硫化膠物理機(jī)械性能的影響。

圖1 HM-G411對(duì)硫化膠門尼黏度的影響

HM-G411炭黑替代量對(duì)硫化膠物理機(jī)械性能的影響見圖2。由圖2可知，對(duì)拉伸強(qiáng)度來說，HMG411補(bǔ)強(qiáng)效果要差于N330，在N330/HM-G411為12/36時(shí)拉伸強(qiáng)度相對(duì)較高；對(duì)扯斷伸長率來說，HM-G411效果也要差于N330，也是在N330/HMG411為12/36時(shí)扯斷伸長率相對(duì)較高；100%定伸應(yīng)力、200%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力曲線相差不大與扯斷伸長率圖線相反，符合常規(guī)規(guī)律；隨著HMG411替代N330的量增加，對(duì)邵爾A硬度、動(dòng)態(tài)壓縮永久變形影響不大。

2.3 HM-G411炭黑對(duì)硫化膠動(dòng)態(tài)生熱的影響

損耗因子（tanδ）即黏彈性材料在交變力場作用下應(yīng)變與應(yīng)力周期相位差角的正切，也等于該材料的損耗模量與儲(chǔ)能模量之比。同時(shí)tanδ也是衡量橡膠制品動(dòng)態(tài)生熱的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)制品使用效果的重要參數(shù)。

故考察了HM-G411炭黑對(duì)硫化膠tanδ的影響。

由圖3可知，相同配比的N330/HM-G411隨著測試溫度的升高，硫化膠tanδ逐漸降低。在不同的測試溫度下曲線規(guī)律類似，HM-G411用量在24份之前硫化膠tanδ降低較為緩慢，當(dāng)N330/HM-G411配比為12/36時(shí)硫化膠tanδ達(dá)到最低值；之后HM-G411用量在增加硫化膠tanδ變化不大。硫化膠tanδ降低源于兩方面，一方面由于HM-G411本身具有的低結(jié)構(gòu)可以降低硫化膠的滯后損失；另一方面由于HMG411提高了硫化膠交聯(lián)程度，在一定范圍內(nèi)增大交聯(lián)程度會(huì)降低硫化膠tanδ。

3 結(jié)論

（1）隨著HM-G411炭黑替代N330的量不斷增加，T10略有增加同時(shí)T90、MH-ML均增大。

圖2 HM-G411對(duì)物理機(jī)械性能的影響

（2）隨著HM-G411炭黑替代N330的量不斷增加，HM-G411補(bǔ)強(qiáng)效果要差于N330；扯斷伸長率也要差于N330；100%定伸應(yīng)力、200%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力有所增大；邵爾A硬度、動(dòng)態(tài)壓縮永久變形影響不大。

圖3 HM-G411對(duì)動(dòng)態(tài)生熱的影響

（3）隨著測試溫度升高，硫化膠tanδ逐漸降低。在不同的測試溫度下曲線規(guī)律類似，HM-G411用量在24份之前硫化膠tanδ降低較為緩慢，當(dāng)N330/HM-G411配比為12/36時(shí)硫化膠tanδ達(dá)到最低值；之后HM-G411用量在增加硫化膠tanδ變化不大。

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