玄武巖纖維對NR/SBR并用膠性能的影響

馬 駒，秦 穎，董 月，陳春花，辛振祥

（青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042）

玄武巖纖維是采用單組分礦物原料熔體制備而成，在耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、絕緣性和耐摩擦性等方面優(yōu)于玻璃纖維等纖維材料[1-4]，在部分性能方面還可替代嚴(yán)重短缺且昂貴的碳纖維材料，且不產(chǎn)生與石棉相關(guān)的環(huán)境問題。玄武巖纖維原料成本低、能耗少、生產(chǎn)過程清潔，是一種生態(tài)環(huán)境材料，深受各國學(xué)者的關(guān)注[5]。玄武巖纖維可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、航空、造紙、化工、醫(yī)療、交通和軍事等方面。

在橡膠配合中，填料的用量與炭黑同樣大，為實(shí)現(xiàn)玄武巖纖維在橡膠補(bǔ)強(qiáng)中的大量應(yīng)用，本工作研究玄武巖纖維用量對天然橡膠（NR）/丁苯橡膠（SBR）并用膠性能的影響[6]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，SCR10，西雙版納固可力有限公司產(chǎn)品；SBR，上海谷島實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；炭黑N550和N330，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；玄武巖纖維，上海坦莎復(fù)合材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方：NR 60，SBR 40，炭黑N330 30，炭黑N550 20，碳酸鈣 40，改性高嶺土D50 20，填充劑和硫化劑 4，防焦劑CTP 0.5，促進(jìn)劑 3，松焦油 1，其他 9，玄武巖纖維 變量。

1.3 主要設(shè)備與儀器

X（S）K-160型開煉機(jī)，上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XSM-1/20～80型密煉機(jī)，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；HS 1007-RTMO型自動硫化機(jī)，佳鑫電子設(shè)備科技有限公司產(chǎn)品；GT-M2000-A型硫化儀、AI-7000S型電子拉力機(jī)，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；RPA2000型橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；橡膠硬度計，上海險峰電影機(jī)械廠產(chǎn)品；JSM-7500F型掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子公司產(chǎn)品；EKT-2000GF型壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，中國臺灣曄中科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

將NR和SBR加入密煉機(jī)中，加入硬脂酸、氧化鋅、防老劑等固體小料混煉約1 min，再加入炭黑和玄武巖纖維（分3次，每次約1 min，松焦油與最后一份填料一起添加）混煉7 min左右，進(jìn)料溫度為70 ℃，控制排料溫度約為115 ℃。在開煉機(jī)上加入硫化助劑和硫化劑，混合均勻后，打三角包5次，打卷3次，下片。停放24 h后用硫化儀測試硫化特性。在平板硫化機(jī)上硫化試樣，硫化條件為151 ℃/10 MPa×30 min。硫化試樣停放24 h后進(jìn)行性能檢測。

1.5 性能測試

硫化特性按GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉(zhuǎn)子硫化儀測定硫化特性》測試，硫化溫度為151 ℃；硬度按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》測試，溫度為室溫；拉伸強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力和拉斷伸長率按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》測試，拉伸速率為500 mm·min-1，室溫測試；撕裂強(qiáng)度按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》測試，拉伸速率為500 mm·min-1，采用直角形試樣，室溫測試；加工性能測試的掃描溫度為60 ℃，頻率為1 Hz；壓縮疲勞溫升按照GB 1687/T—1993《硫化橡膠在屈撓試驗(yàn)中溫升和耐疲勞性能的測定 第2部分：壓縮屈撓試驗(yàn)》測試；壓縮永久變形按照GB/T 7759—1996《硫化橡膠、熱塑性橡膠 常溫、高溫和低溫下壓縮永久變形測定》測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠硫化特性的影響見表1。

表1 玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠硫化特性的影響

由表1可以看出：隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的焦燒時間呈縮短趨勢，這主要是由于玄武巖纖維中的無機(jī)物能夠起到活化促進(jìn)劑的作用，加快焦燒，使加工安全性降低；正硫化時間隨玄武巖纖維用量的增大也逐漸縮短，分析認(rèn)為玄武巖纖維的添加和分散影響了硫化反應(yīng)的過程；隨著玄武巖纖維用量的增大，并用膠的硫化速率先增大后減小，當(dāng)玄武巖纖維用量為10份左右時最大。

2.2 門尼粘度

玄武巖纖維用量分別為0，5，10，15和20份時，NR/SBR并用膠的門尼粘度[ML（1+4）100 ℃]分別為35.8，39.6，39.5，35.2和34.6。

橡膠的門尼粘度與其塑性密切相關(guān)。粘度大表明橡膠相對分子質(zhì)量大，塑性差；反之則說明橡膠相對分子質(zhì)量小，塑性好。加入5～10份玄武巖纖維時并用膠門尼粘度升高，可以認(rèn)為是加入量少分散不均勻，使塑性差、加工性能不好；加入量為15～20份時并用膠門尼粘度下降，加工性能 變好。

2.3 物理性能

玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠物理性能的影響見表2。

表2 玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠物理性能的影響

由表2可以看出：當(dāng)玄武巖纖維用量小于10份時，并用膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率稍有下降，撕裂強(qiáng)度基本保持不變；進(jìn)一步增大玄武巖纖維的用量，并用膠的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和撕裂強(qiáng)度顯著下降，而邵爾A型硬度則不斷增大；當(dāng)玄武巖纖維用量小于10份時，壓縮永久變形和壓縮生熱變形變化較小，大于10份時變化較大，而壓縮疲勞生熱隨玄武巖纖維用量的增大持續(xù)升高。

2.4 SEM分析

并用膠的掃描電鏡斷面形態(tài)如圖1所示，白色片層為陶土等其他無機(jī)填料。由圖1可以看出：未添加玄武巖纖維時炭黑和其他無機(jī)填料在并用膠中具有良好的分散性，粒徑小、分布窄；添加玄武巖纖維后斷層面的孔洞和凸起增多，在結(jié)合處可以看到有部分橡膠包覆在玄武巖纖維上；隨著玄武巖纖維用量的增大，取向變得明顯，但是還有相當(dāng)一部分玄武巖纖維未與橡膠和其他填料結(jié)合，說明其相容性變差，玄武巖纖維出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，降低了其在橡膠中的分散，導(dǎo)致了補(bǔ)強(qiáng)作用的下降。

圖1 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠SEM照片

2.5 RPA應(yīng)變掃描分析

不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠剪切儲能模量（G′）-應(yīng)變（ε）關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出：隨著ε的增大，G′逐漸降低；隨著玄武巖纖維用量的增大，并用膠的G′增大，膠料的粘度增大，Payne效應(yīng)增強(qiáng)，加工性能下降。

圖2 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠G′-lgε曲線

不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠損耗模量（G″）-ε關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出：隨著ε的增大，G″呈現(xiàn)非線性減小的趨勢，表明填料網(wǎng)絡(luò)破壞程度增大且破壞速度大于重建速度；隨著玄武巖纖維用量的增大，G″減小程度增大，這是由于并用膠的網(wǎng)絡(luò)化程度增大使其能量損耗增大。

圖3 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠G″-lgε曲線

不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠損耗因子（tanδ）-ε關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可以看出：當(dāng)ε較小時并用膠的tanδ基本保持不變，隨ε增大，tanδ明顯增大；隨著玄武巖纖維用量增大，tanδ增大，這是因?yàn)樘盍暇W(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞并與分子鏈之間的相對滑移引起的能量損耗有關(guān)。

圖4 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠的tanδ-lgε曲線

3 結(jié)論

（1）隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的焦燒時間和正硫化時間縮短，硫化速率先增大后減小。

（2）隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和撕裂強(qiáng)度下降，邵爾A型硬度、壓縮永久變形和壓縮疲勞生熱增大；玄武巖纖維用量小于10份時各性能變化不大，用量為10份左右時纖維分散性較好。

（3）隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的Payne效應(yīng)增強(qiáng)，膠料的加工性能變差。