高嶺土填料對(duì)橡膠力學(xué)性能的補(bǔ)強(qiáng)研究

李曉青，沈新民，房中行，涂群章

（陸軍工程大學(xué)，南京 210007）

目前合成橡膠用到的主要填料有炭黑、白炭黑、硅酸鹽［1］、碳酸鹽［2］、金屬化合物［3］等。炭黑和白炭黑在混煉過(guò)程中容易彌漫到空氣中，對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備造成損壞，還有實(shí)驗(yàn)室清潔不便等問(wèn)題。隨著環(huán)保要求的提高，炭黑和白炭黑制作成本一直在提高。尋求炭黑和白炭黑的替代材料，是橡膠行業(yè)發(fā)展的重要方向。我國(guó)高嶺土礦產(chǎn)資源豐富，已探明267 處礦產(chǎn)地，探明儲(chǔ)量29.10億t［4］；生產(chǎn)成本低，制備流程簡(jiǎn)單。天然橡膠具有優(yōu)良物理化學(xué)特性，用高嶺土填充天然橡膠，生產(chǎn)更多的橡膠產(chǎn)品，可以更好地開(kāi)發(fā)利用國(guó)內(nèi)資源，有利于天然橡膠的利用價(jià)值最大化。本研究用高嶺土來(lái)填充天然橡膠，以嘗試獲得高性能的復(fù)合橡膠材料，有利于代替炭黑和白炭黑補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠的部分產(chǎn)品。

1 材料和方法

1.1 主要原材料

煙片膠（RSS），牌號(hào)泰國(guó)RSS3 號(hào)，泰國(guó)洪曼麗橡膠公司；高嶺土，1 250 目，市場(chǎng)銷(xiāo)售；氧化鋅（ZnO），牌號(hào)ZnO-X1，滄州杰威鋅業(yè)有限公司；硬脂酸（SA），牌號(hào)SA-1850，印尼斯文油脂化工集團(tuán)；其余成分均為市場(chǎng)銷(xiāo)售。

1.2 試驗(yàn)配方

RSS3 100，高嶺土30，氧化鋅5，硬脂酸5，防老劑（BLE）5，促進(jìn)劑（DM）2，促進(jìn)劑（M）2，硫磺（S）3 和其他試劑。

1.3 主要設(shè)備和儀器

制備設(shè)備：X-600 型切膠機(jī)、X（S）K-160 型雙輥開(kāi)煉機(jī)、X（S）M2L 型密煉機(jī)，均為瑞安市瑞日橡塑機(jī)械有限公司；YZYP-30T 型號(hào)平板硫化儀，東莞市益宗機(jī)械設(shè)備；YF-1802 型氣動(dòng)沖片機(jī)，天津市港源試驗(yàn)儀器廠(chǎng)。

測(cè)試設(shè)備：LX-A 型邵爾A 硬度計(jì)，揚(yáng)州市道純?cè)囼?yàn)機(jī)械廠(chǎng)；MH-300A 型電子密度計(jì)，揚(yáng)州德瑞儀器設(shè)備有限公司；WTB-0.5 型橡膠沖擊彈性試驗(yàn)機(jī)，東莞市永心電子科技有限公司；WDL-5KN 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.4 試樣制備

煙片膠經(jīng)過(guò)切膠機(jī)切成小塊碎片，在開(kāi)煉機(jī)中過(guò)輥5 次后投入密煉機(jī)（轉(zhuǎn)速為25 r/min），10 min 后取出塑煉膠靜置6 h。靜置后的塑煉膠在開(kāi)煉機(jī)中過(guò)輥兩次，防止塑煉膠卡主密煉機(jī)。密煉機(jī)預(yù)轉(zhuǎn)2 min，調(diào)制小料，放入塑煉膠2 min 后加入小料，5 min 后加入一半含量的高嶺土，10 min后加入另一半的高嶺土。最后加入硫磺混煉3 min，取出混煉膠在開(kāi)煉機(jī)中過(guò)輥3 次，打卷，靜置12 h。

靜置后的混煉膠在開(kāi)煉機(jī)中過(guò)輥3 次，放入平板硫化機(jī)中進(jìn)行硫化，硫化溫度140℃，時(shí)間25 min，壓力10 MPa，使用沖片機(jī)進(jìn)行制樣。

1.5 性能測(cè)試

（1）密度。密度使用電子密度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，原理符合GB/T 533—2008《硫化橡膠或熱塑橡 膠密度的測(cè)定》。

（2）邵爾A 硬度。硬度性能按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

（3）回彈性測(cè)試?；貜椥阅馨凑誈B/T 1681—2009《硫化橡膠回彈性的測(cè)定》測(cè)試。

（4）拉伸性能測(cè)試。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(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

橡膠試樣如圖1 所示。其中a 試樣用來(lái)測(cè)試橡膠的回彈性能，b 試樣用來(lái)測(cè)試抗拉強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力和200%定伸應(yīng)力，c 試樣用來(lái)測(cè)試橡膠的撕裂強(qiáng)度。

圖1 橡膠性能測(cè)試試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 密度和硬度

高嶺土對(duì)橡膠密度和硬度性能的影響如圖2所示。由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，高嶺土填料為90 份時(shí)，橡膠的密度值達(dá)到最大；橡膠的硬度在質(zhì)量份為70 份時(shí)上升幅度減緩。補(bǔ)強(qiáng)后的橡膠密度和硬度與炭黑補(bǔ)強(qiáng)效果相似。橡膠是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子鏈，橡膠分子鏈與高嶺土粒子在混煉過(guò)程中發(fā)生物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。在高嶺土為90 份時(shí)，高嶺土粒子和橡膠分子發(fā)生的物理反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)達(dá)到飽和，橡膠密度達(dá)到極大值。隨高嶺土填料增加，其混煉膠經(jīng)硫化后的膠樣韌性和硬度增加。高嶺土填料超過(guò)70 份時(shí)，高嶺土粒子與橡膠分子在硫化過(guò)程中的物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)速度減緩，因而硬度上升減緩。

圖2 高嶺土對(duì)橡膠密度和硬度性能的影響

2.2 拉伸性能

高嶺土對(duì)橡膠拉伸性能的影響如圖3 所示。由圖3 可以看出，高嶺土填料增加，橡膠的撕裂強(qiáng)度在50 份時(shí)達(dá)到極大值，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，100%定伸應(yīng)力和200%定伸應(yīng)力逐漸降低。

圖3 高嶺土對(duì)橡膠拉伸性能的影響

這是因?yàn)槲接诟邘X土填料粒子上的橡膠分子鏈有一定的活動(dòng)能力，在混煉機(jī)提供剪切力的作用下，能在填料粒子表面上產(chǎn)生滑動(dòng)，使材料應(yīng)力重新分布，避免應(yīng)力集中。但隨著高嶺土填料增加，玻璃態(tài)橡膠分子在高嶺土粒子表面活動(dòng)能力開(kāi)始下降，分子鏈斷裂數(shù)量開(kāi)始增加。高嶺土填料較少時(shí)，橡膠分子鏈附著的高嶺土粒子增強(qiáng)了橡膠的應(yīng)力。隨著高嶺土填料的增加，橡膠分子在高嶺土粒子表面活動(dòng)能力下降，斷裂的橡膠分子鏈增加，因此，抗拉強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力和200%定伸應(yīng)力下降。

2.3 回彈性能

高嶺土對(duì)橡膠回彈性能影響如圖4 所示。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，高嶺土填料增加，橡膠復(fù)合材料的彈性模量和回彈率降低。高嶺土具有可塑性，少量的高嶺土和橡膠分子結(jié)合后增加了高嶺土橡膠復(fù)合材料的塑性值，從而回彈率升高。高嶺土填料增加，和橡膠在混煉過(guò)程中形成的玻璃態(tài)向固態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，塑性值降低，彈性模量和回彈率下降。

圖4 高嶺土對(duì)橡膠回彈性能的影響

通過(guò)圖4 還發(fā)現(xiàn)，高嶺土填充的橡膠具有很高的彈性。炭黑和白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的橡膠復(fù)合材料回彈率一般在60 以下，而高嶺土為110 份時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)的橡膠復(fù)合材料仍然在64。說(shuō)明高嶺土補(bǔ)強(qiáng)橡膠回彈性能效果顯著，能夠用于對(duì)彈性要求高的橡膠制品。

3 結(jié)論

在高嶺土對(duì)橡膠補(bǔ)強(qiáng)性的研究中，我們發(fā)現(xiàn)高嶺土補(bǔ)強(qiáng)后的橡膠邵爾A 硬度值最大為52 度，對(duì)比柏楊等［5］在炭黑-白炭黑對(duì)天然橡膠復(fù)合材料的研究和姬春梅［6］用炭黑補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠研究中發(fā)現(xiàn)的橡膠硬度為60～70，高嶺土填充天然橡膠硬度相對(duì)于白炭黑和炭黑較低。在彭遷遷等［7］用白炭黑補(bǔ)強(qiáng)丁苯橡膠的研究中，撕裂強(qiáng)度在30～36 kN/m；抗拉強(qiáng)度在14.7～15.8 MPa；100%定伸應(yīng)力為1.1～3.7 MPa。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高嶺土補(bǔ)強(qiáng)后的天然橡膠撕裂強(qiáng)度接近，抗拉強(qiáng)度和100%定伸應(yīng)力則遠(yuǎn)高于白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的丁苯橡膠。

姚彬彬等［8］在用白炭黑補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠的研究中發(fā)現(xiàn)回彈率在46%～48%；胡保利等［9］在白炭黑補(bǔ)強(qiáng)丁苯橡膠中回彈率在38%～42%；于堯等［10］在炭黑補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠的研究中回彈率在49%～58%。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，即便是在高嶺土為110 份時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)后的橡膠仍然具有較高的彈性，回彈率達(dá)到64%。通過(guò)高嶺土填補(bǔ)橡膠能夠提升橡膠的回彈性能，可以為工業(yè)領(lǐng)域提供更多的高彈性橡膠制品。