納米黏土/丁苯橡膠復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能研究

侯亞合 王新 吉雷波 李潤(rùn)飛

【摘? 要】論文采用機(jī)械共混法制備了納米黏土/丁苯橡膠（SBR）復(fù)合材料，與白炭黑對(duì)比研究了該復(fù)合材料的加工性能、物理機(jī)械性能和動(dòng)態(tài)性能等。結(jié)果表明，納米黏土/SBR復(fù)合材料與白炭黑增強(qiáng)橡膠相比，分散性好、門尼黏度低、抗焦燒性能好，便于加工;補(bǔ)強(qiáng)性能好，復(fù)合材料具有良好的物理機(jī)械性能;散熱性、耐磨性好。

【Abstract】In this paper， nano-clay/SBR composites were prepared by mechanical blending method， and the machining properties， physical and mechanical properties and dynamic properties of the composites were compared with that of silica. The results show that the nano-clay /SBR composite has better dispersibility， lower mooney viscosity， better anti-coke performance and is easier to process than the silica reinforced rubber， and has good reinforcing properties， and the composite material has good physical and mechanical properties， and has good heat dissipation and wear resistance.

【關(guān)鍵詞】納米黏土;丁苯橡膠;加工性能;物理機(jī)械性能;動(dòng)態(tài)性能

【Keywords】nano-clay; styrene butadiene rubber; machining properties; physical and mechanical properties; dynamic properties

【中圖分類號(hào)】TQ332? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）05-0169-03

1 引言

納米黏土/橡膠復(fù)合材料是以橡膠為基體連續(xù)相、黏土以納米尺度分散于基體中的新型高分子復(fù)合材料，可通過溶膠-凝膠法、插層法、共混法制備。納米黏土具有納米級(jí)別的粒徑，表面經(jīng)過改性處理，能較好地分散在橡膠基體中并形成良好的界面結(jié)合效果，因而能在納米尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)。納米黏土/橡膠復(fù)合材料具有優(yōu)良的加工工藝性能、較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的熱穩(wěn)定性，具有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

本研究使用的納米黏土是一種半合成、納米級(jí)無機(jī)硅礦物粉末狀材料，產(chǎn)品名稱為Superfil R 505，其聚集體在微觀狀態(tài)下呈相互分離的晶片，晶片平均直徑在200～500nm，晶片厚度在20～50nm。

丁苯橡膠是最早的工業(yè)化的合成橡膠，也是目前產(chǎn)量和消耗量最大的合成橡膠，廣泛應(yīng)用于輪胎工業(yè)和汽車零件、電線電纜、膠管膠帶等工業(yè)產(chǎn)品，以其為基體研究納米黏土/橡膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能，在理論和應(yīng)用上均具有重要意義。本文主要研究了納米黏土/丁苯橡膠復(fù)合材料的加工性能、物理機(jī)械性能和動(dòng)態(tài)性能等。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料

SBR 1502，上海越廣橡膠化工有限公司;碳酸鈣，中國(guó)石化南京化工廠;白炭黑，滄州杰威化工有限公司;納米黏土，Superfil R 505，棗莊市三興高新材料有限公司;其余均為市售工業(yè)品。

2.2 儀器及設(shè)備

XK-250（160）型開放式煉膠機(jī)，無錫第一橡膠機(jī)械有限公司;QL-25型平板硫化機(jī)，上海西瑪偉力橡塑機(jī)械有限公司;GT-M2000A型橡膠無轉(zhuǎn)子硫化儀、GT-7080-52型門尼黏度試驗(yàn)機(jī)、AI-7000-GD型電子拉力機(jī)、RH-2000N型壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器有限公司;JSM-6510型掃描電鏡，JEOL（日本電子公司）; RPA-2000型橡膠加工分析儀，Alpha Technologies。

2.3 試樣制備

基本配方（質(zhì)量份）：SBR 100，硫磺 1.8，氧化鋅 4，硬脂酸 2.5，促進(jìn)劑NOBS 1.2，碳酸鈣 30，防老劑RD 2，PEG4000 0.3，黏土/白炭黑變量（NT/WCB =0/30，10/20，15/15，20/10，30/0）。

試樣制備：按配方在XK-250開煉機(jī)上制備SBR母煉膠，在XK-160開煉機(jī)上加入黏土/白炭黑（變量），最后加入硫黃，混煉均勻后下片，停放2h后于溫度155℃、壓力15MPa下硫化，硫化時(shí)間為硫化儀測(cè)定的工藝正硫化時(shí)間（t90）。

2.4 性能測(cè)試

將納米黏土/SBR復(fù)合材料樣條在液氮中冷凍折斷后，表面噴金，用SEM觀察斷面表面形貌;采用橡膠加工分析儀測(cè)定膠料加工性能，掃描溫度90℃，應(yīng)變幅度0.042;膠料門尼黏度、硫化特性、動(dòng)態(tài)性能、物理機(jī)械性能、DSC熱分析均按照相應(yīng)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 納米黏土在NR中的分散

圖1是Superfil R 505的掃描電鏡照片，可見納米黏土具有良好的片層狀結(jié)構(gòu)，且晶體分離，具有較好的分散性能;表面含有活性-Si-OH基團(tuán)，表面處理后，引入兩性基團(tuán)，一端連接納米黏土表面-OH，另一端與橡膠發(fā)生反應(yīng)。圖2是納米黏土填充量為15phr的復(fù)合材料電鏡照片，其中深色背景為SBR橡膠基體，白色亮點(diǎn)為黏土片層?？梢奡uperfil R 505黏土基本上以納米級(jí)尺寸分散在NR基體中，也存在少量的聚集體，其總體分散較為均勻。

3.2 納米黏土/SBR復(fù)合材料的門尼粘度

其中，1-NT表示納米黏土，2-白炭黑，下同。

由表1可以看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，膠料門尼黏度值有較大幅度減小。這是由于該納米黏土為片層結(jié)構(gòu)，具有中高結(jié)構(gòu)度，利于減低門尼黏度，增加流動(dòng)性，改善膠料模壓充模型能。

3.3 納米黏土/SBR復(fù)合材料的硫化特性

由表2可以看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，膠料的焦燒時(shí)間t10先增大后減小、工藝正硫化時(shí)間t90逐漸縮短。這表明該納米黏土對(duì)硫化有較大的促進(jìn)作用，使膠料的硫化速度提高;選擇合適的填充量，既可以提高生產(chǎn)效率，又能保證膠料加工的安全性。

3.4 納米黏土/SBR復(fù)合材料混煉膠動(dòng)態(tài)性能

由圖3和圖4可看出，隨頻率增大，復(fù)合材料混煉膠儲(chǔ)能模量（G'）與損耗模量（G"）均增大;同一頻率下，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，復(fù)合材料G'與G"均減小，納米黏土復(fù)合材料的加工性能優(yōu)于白炭黑復(fù)合材料。

3.5 納米黏土/NR復(fù)合材料的物理機(jī)械性能

由表3可看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、300%定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度呈先升高后下降趨勢(shì)，耐磨性能逐漸降低，表明納米黏土在SBR中具有較好的補(bǔ)強(qiáng)性能，且補(bǔ)強(qiáng)水平高于白炭黑。這主要是由于該納米黏土為納米級(jí)填料，具有片狀形態(tài)和較好的分散性，使膠料具有良好的力學(xué)性能。

從壓縮生熱數(shù)據(jù)可以看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，復(fù)合材料硫化膠的溫升、壓縮永久變形、最終壓縮率、磨耗體積均有較大幅度降低。這是因?yàn)榻?jīng)表面改性的納米黏土分散性好、生成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加均勻，散熱性能和承擔(dān)應(yīng)力的能力都提高。

3.6 納米黏土/NR復(fù)合材料的玻璃化溫度

由圖5可看出，改變納米黏土和白炭黑的用量，復(fù)合材料玻璃化溫度變化不大，表明納米黏土與白炭黑對(duì)復(fù)合材料耐寒性的影響相當(dāng)。

4 結(jié)論

納米黏土、白炭黑分別與SBR復(fù)合，具有以下特點(diǎn)：

①納米黏土補(bǔ)強(qiáng)性能好，納米黏土/SBR復(fù)合材料具有良好的物理機(jī)械性能;②納米黏土分散性好、門尼黏度低、焦燒性能好，混煉膠便于加工;③納米黏土/SBR復(fù)合材料散熱性、耐磨性好。

【參考文獻(xiàn)】

【1】趙蔚，吳友平，黃希，等.炭黑/黏土/丁苯橡膠納米復(fù)合材料的性能[J].合成橡膠工業(yè)，2007，30（1）：47-49.

【2】張立群，吳友平.橡膠的納米增強(qiáng)及納米復(fù)合技術(shù)[J].合成橡膠工業(yè)，2000，23（2）：71-77.

【3】莊濤.橡膠基納米復(fù)合材料的力學(xué)與老化性能的研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2006.

【4】胡波.丁苯橡膠磨耗性能的影響因素及機(jī)理探討[D].青島：青島科技大學(xué)，2009.

【5】林裔珍，陳鼎希，李書琴.溶聚丁苯橡膠在輪胎中的應(yīng)用研究[J].輪胎工業(yè)，1998，18（9）：535-538.