白炭黑填充丁腈橡膠性能研究

王兆威 王再學(xué),2* 師曉龍 張兆紅 翁國文 徐云慧

(1. 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

丁腈橡膠(NBR)是由丁二烯和丙烯腈經(jīng)乳液聚合而成的一種極性非結(jié)晶橡膠[1-3]，由于極性基團(tuán)(腈基)的存在，丁腈橡膠具有良好的耐非極性介質(zhì)性，廣泛用于油封、橡膠彈簧、油氣囊、石油及天然氣輸送管路中的橡膠制品[4-8]。

混煉膠中補(bǔ)強(qiáng)劑能賦予橡膠許多優(yōu)異性能，最常見的補(bǔ)強(qiáng)填充體系有炭黑和白炭黑，炭黑可以將合成橡膠的強(qiáng)度提升10倍左右[9]，而白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果僅次于炭黑。隨著人們生活水平的提高及個(gè)性化生活方式的追求，彩色橡膠制品的需求越來越多[10-12]，制備彩色橡膠制品常用白炭黑作為填料[13,14]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

NBR3358，南京金浦英薩合成橡膠有限公司；WL180，贏創(chuàng)嘉聯(lián)白炭黑有限公司；AS-70、RS-50，揚(yáng)中格拉斯白炭黑化工有限公司；NJ255，南吉化學(xué)工業(yè)有限公司；其他原材料均為市售產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3 L密煉機(jī)，廣東利拿實(shí)業(yè)有限公司；XK(S)-160開煉機(jī)及QLB-500/Q平板硫化機(jī)，無錫第一橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；M2000-A型無轉(zhuǎn)子硫化儀和A1-7000-GD拉力試驗(yàn)機(jī)，均為高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

NBR3358 100，增塑劑ATBC 30，氧化鋅805 5，硬脂酸 2，活性劑PEG4000 2，模的麗935P 1.5，硫磺1.5，TMTD 1，DTDM 2，M 3，白炭黑變種類(60份)。

1.4 制樣制備

首先把丁腈橡膠加入密煉機(jī)，分別加入白炭黑和增塑劑等，待混煉均勻后，下料，在開煉機(jī)上加硫磺和促進(jìn)劑，打三個(gè)三角包、兩個(gè)卷，出片放置，冷卻備用。

采用平板硫化機(jī)硫化試片，硫化溫度為170 ℃，壓力為15 MPa，硫化時(shí)間為工藝正硫化時(shí)間t90。

1.5 分析與檢測

按照GB/T 16584—1996用無轉(zhuǎn)子硫化儀測試混煉膠的硫化特性；物理機(jī)械性能按照GB/T 531用硬度計(jì)測試硫化橡膠膠的硬度；按照GB/T 528用拉力試驗(yàn)機(jī)測試硫化膠的拉伸性能；按GB/T 16584—1996測試膠料的耐油性能，機(jī)油中浸泡72 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性分析

表1為白炭黑填充丁腈橡膠的硫化特性。

表1 白炭黑填充丁腈橡膠的硫化特性

從表1可以看出，四種白炭黑對焦燒時(shí)間(t10)影響不大，t10并沒有因?yàn)榘滋亢诘募尤攵a(chǎn)生較大變化。比較四種白炭黑填充丁腈橡膠的工藝正硫化時(shí)間(t90)，RS-50的pH值較小(6.5)，由于酸性填料的吸附作用、降低了硫化體系的硫化活性點(diǎn)，所以t90時(shí)間長；AS-70的pH值較大(10.5)，能夠中和膠料中的酸性物質(zhì)，降低其對硫化體系的影響，所以t90較短。表1中最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩的差值(MH-ML)大小反映了復(fù)合材料的化學(xué)或物理交聯(lián)程度[15]，從表1中可以看出WL180和NJ255的MH-ML較大，這是因?yàn)閃L180的比表面積為180、吸油值為224左右，NJ255的比表面積為130、吸油值為200左右，較大的比表面積和吸油值有助于形成填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。交聯(lián)結(jié)構(gòu)變大，體系黏度變大。其中WL180的ML較大，膠料的初始黏度較大，相對其他三種白炭黑填充膠料流動(dòng)性低。

2.2 物理機(jī)械性能分析

表2為白炭黑填充丁腈橡膠的物理機(jī)械性能。

表2 白炭黑填充丁腈橡膠的物理機(jī)械性能

從表2可以看出，WL180填充丁腈橡膠的膠料強(qiáng)度高、物理機(jī)械性能較好，其次為NJ255。這和前面膠料的硫化特性數(shù)據(jù)是一致的，WL180混煉膠的(MH-ML)較大，膠料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較好，膠料性能也好。對比老化前后性能變化，WJ180混煉膠的耐老化性能也較好。

2.3 耐油性能分析

表3為白炭黑填充丁腈橡膠的耐油性能。

表3 白炭黑填充丁腈橡膠的耐油性能

丁腈橡膠作為強(qiáng)極性橡膠，常用于密封制品或輸送油氣的膠管，在使用過程中不可避免地與各種油類長期接觸，影響產(chǎn)品的使用壽命[16]，因此考察膠料的耐油性能有重要意義。油滲透到橡膠大分子鏈之間，一方面導(dǎo)致分子鏈間距變大，分子鏈柔順性變大，硬度降低；另一方面，分子鏈段的自由體積增大，分散在硫化膠中的小分子物質(zhì)被析出，油進(jìn)入橡膠內(nèi)部，影響膠料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從表3可以看出，對于4種白炭黑填充丁腈橡膠來說，浸油后的硬度、拉伸強(qiáng)度下降，扯斷伸長率變化不大。WL180填充丁腈橡膠制備的混煉膠性能變化最小，說明WL180硫化膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。浸油過程中，配方中已有的增塑劑(乙酰檸檬酸三丁酯)與外部的機(jī)油達(dá)到了很好的平衡。

考慮硫化工藝、物理機(jī)械性能和耐油性能，WL180填充NBR橡膠的綜合性能較好，

2.4 白炭黑填充丁腈橡膠制備方法

制備白炭黑填充丁腈橡膠建議采用兩段混煉方法。第一段采用密煉機(jī)混煉，先加入生膠、填料、增塑劑等，見表4；第二段采用開煉機(jī)加硫，見表5。

表4 密煉機(jī)煉膠工藝

表5 開煉機(jī)煉膠工藝

3 結(jié)論

四種白炭黑中，WL180填充丁腈橡膠力學(xué)強(qiáng)度大，耐老化和耐油性能優(yōu)；AS-70填充丁腈橡膠工藝正硫化時(shí)間短；RS-50填充丁腈橡膠的工藝正硫化時(shí)間長。