共混比對NR/BR共混磁流變彈性體性能的影響

姜寬，章婉琪，徐子欽，賈紅兵

(南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094)

智能材料是一類能夠感知環(huán)境的變化，通過自我判斷和結(jié)論實現(xiàn)指令、執(zhí)行的新材料[1]。磁流變材料作為新型的智能材料，具有可控性強、可逆性好和響應快等一系列優(yōu)點[2]，在醫(yī)療、建筑和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景[3～4]。

磁流變彈性體（MRE）是在磁流變液的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新材料，在保持磁流變液的可逆性、可控性、響應快等特性同時，也克服了磁流變液中顆粒易沉降的問題。由于磁流變彈性體是固體，因此具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、穩(wěn)定性好、制備成本低等特有的優(yōu)勢[5]。上述優(yōu)勢使得磁流變彈性體成為當前智能材料領(lǐng)域研究的熱點之一[6]。

目前對磁流變彈性體材料的研究主要集中在基體材料、鐵磁性顆粒以及制備工藝等方面[7]。Chen[8]等研究了天然橡膠基的磁流變彈性體，發(fā)現(xiàn)當把微米級的鐵粒子混入NR中，在鐵粒子質(zhì)量分數(shù)為80%和磁場為1 T時，相對磁流變效應可達133%。Sun[9]等對順丁橡膠基的MRE進行了研究，發(fā)現(xiàn)其相對磁流變效應可達到80%。但單獨的NR或BR基MRE都存在一些綜合性能方面的缺陷，如BR機械性能差，NR熱穩(wěn)定性差等。所以，研制力學性能好、磁流變性能優(yōu)的 MRE材料一直是磁流變彈性體研究的熱點。本文以NR、BR共混，制得共混基MRE，研究了不同共混比對NR/BR共混基MRE的硫化性能、力學性能、微觀結(jié)構(gòu)、磁流變性能和熱穩(wěn)定性的影響，以期得到綜合性能優(yōu)的 MRE材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

天然橡膠，馬來西亞100/0煙片膠，南京金三力橡塑有限公司；順丁橡膠，上海高橋石化公司；羰基鐵粉（CIP）牌號EW，德國BASF公司；氧化鋅、硬脂酸、防老劑RD、防老劑4010NA、促進劑CZ、硫磺，南京金三力橡塑有限公司；古馬隆，江蘇永華精細化學品有限公司。

1.2 試樣制備

使用LN-120型開煉機將NR與BR分別塑煉，再進行共混3 min，待膠料均勻共混后依次加入ZnO、硬脂酸SA、防老劑RD、防老劑4010NA、促進劑CZ，及CIP、古馬隆，最后加入硫磺，薄通下片。將混煉膠放置24 h后，薄通3～4次，在MDR2000E型無轉(zhuǎn)子硫化儀上測試膠料的焦燒時間（t10）和正硫化時間（t90）。膠料的配方如表1所示。

表1 NR/BR共混物的MRE配方

1.3 性能測試

硫化性能測試： 使用MDR-2000E無轉(zhuǎn)子硫化儀（無錫蠡園化工設(shè)備有限公司產(chǎn)），依照GB/T 16584—1996測試不同共混比NR/BR基MRE的硫化性能。

物理機械性能測試：使用電子萬能試驗機（深圳三思CMT-4254型）依照GB/T 528—2009測試其拉伸性能，拉伸速率（500±50）mm/min。用邵氏LX-A型硬度計測試材料的硬度。

微觀結(jié)構(gòu)分析：取不同共混比NR/BR基MRE置于導電膠上，使用掃描電子顯微鏡(SEM，PHENOM-G2型)觀察MRE橫截面的微觀結(jié)構(gòu)。

熱穩(wěn)定性測試： 使用差熱分析儀(日本島津DTG-60型)測試分析不同共混比NR/BR基MRE的熱穩(wěn)定性，N2氛圍，升溫速率20℃/min，溫度范圍30～600℃。

磁流變效應測試：利用改裝的三思CMT-4254型電子拉力機進行壓縮測試，參照GB/7757—2009進行壓縮測試，應變?yōu)?%，不加磁場下，先三次預壓縮，第四次通磁場測試，比較零場和有場下MRE材料應力的變化，測試磁場強度為280 mT磁流變效應定義如下[10]：

式中σmax)B為加磁場下測試的應力，σmax)B=0為零場條件下測得的初始應力。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫化性能

硫化返原現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因為高溫下交聯(lián)網(wǎng)絡中分子鏈段及交聯(lián)鍵斷裂所致[12]。共混比對NR/BR共混基MRE硫化特性曲線的影響如圖1所示。由圖中可知，隨著BR含量的升高，MRE的返原性減弱。這是因為BR的分子鏈比NR在高溫下更加穩(wěn)定，不易斷裂[11]，從而提高了共混基MRE的抗返原性能。

圖1 不同共混比NR/BR的MRE樣品硫化曲線

由表2可知，隨著BR含量的升高，共混基MRE的t10變化不大，t90不斷上升，特別是BR達到50份后時，t90急劇上升。這是因為NR本身硫化時間較短，BR硫化時間的較長，當BR含量較少時，共混膠的硫化時間主要由NR決定，而當BR量達到50份后，共混膠的硫化時間主要由BR決定。此外表2中，共混膠的最大轉(zhuǎn)矩（MH）和最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩之差（MH-ML）都隨著BR量的增多而增大，這是因為共混膠中BR相中的硫化劑遷移到NR相中，彌補了NR相交聯(lián)鍵的斷裂，提高了體系的交聯(lián)密度，從而提高了共混膠的M和

表2 不同共混比NR/BR的MRE樣品硫化時間

2.2 物理機械性能

表3為不同NR/BR基MRE力學性能數(shù)據(jù)，由表可知，NR的拉伸性能優(yōu)于BR的拉伸，這是因為NR拉伸過程中會發(fā)生應變誘導結(jié)晶，而BR不具有這一性質(zhì)，從而使NR的拉伸強度明顯優(yōu)于BR[13]。隨著BR含量的升高，共混MRE的硬度不斷增加，拉伸強度下降，斷裂伸長率上升。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

磁性顆粒在基體中的排布是影響材料磁流變性能的重要因素[14]。圖2為不同共混比NR/BR基MRE掃描電鏡圖，由圖中可以看出，磁性顆粒在基體中發(fā)生了取向。隨BR含量的增加，體系的黏度（MH-ML）增加。當BR含量超過25%后，共混膠的ML急劇增加，使得羰基鐵粉在基體中的取向困難，導致NR/BR共混膠（NR/BR=25/100除外）的磁流變性能低于純NR 。

表3 不同共混比NR/BR的MRE樣品力學性能

圖2 不同共混比NR/BR的MRE樣品掃描電鏡圖

2.4 磁流變性能

圖3為不同共混比的NR/BR基MRE磁流變性能圖。由圖可知，相對磁流變效應的順序為NR/BR=75/25＞ NR/BR=100/0＞ NR/BR=0/100＞ NR/BR=50/50＞ NR/BR=25/75， 在 NR/BR 為 75/25時，磁流變效應最大，較單獨的NR和BR分別提高了27.8%和43.3%。共混基MRE中隨著BR量的增加，材料的磁流變性能下降。這是因為，一方面共混膠中當NR含量超過25%時，共混膠的體系黏度（ML）不斷上升，羰基鐵粉在基體中取向困難；另一方面，NR和BR形成相分離[15]，共混體系中存在一定的界面阻力，同樣導致磁性顆粒取向困難，從而導致其磁流變性能下降。

圖3 不同共混比NR/BR的MRE樣品磁流變性能

2.5 熱穩(wěn)定性

圖4和表4分別為不同共混比NR/BR基MRE的TG、DTG曲線圖及其TG數(shù)據(jù)。從圖可知，純NR和BR分別出現(xiàn)一個失重峰，而共混膠出現(xiàn)兩個失重峰。其中330～450℃主要是NR的分解溫域，450～500℃主要是BR的分解溫域，隨著BR含量的增加，MRE的熱分解溫度不斷向高溫方向移動，熱穩(wěn)定性提高。表明BR的加入提高了NR的熱穩(wěn)定性。所有的曲線后期略有提升，是由于N2不純導致羰基鐵粉發(fā)生氧化所致。

圖4 不同共混比NR/BR的MRE樣品TG、DTG曲線

表4 不同共混比NR/BR的MRE樣品TG數(shù)據(jù) ℃

3 結(jié)論

（1）隨著MRE中BR含量的升高，NR/BR的硫化速度下降，返原性減弱 。

（2）隨著BR含量的升高，MRE的拉伸強度不斷下降，斷裂伸長率提高，但是熱穩(wěn)定性增加。

（3）NR/BR為75/25時，共混基MRE的磁流變效應最大，硫化膠的綜合的力學性能較好，具有良好的應用前景。

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