硅藻土/白炭黑復(fù)合填料補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料的性能研究

卜義夫，孔俊嘉，王瑞謙，張延祥，萬帥龍，王思祺

（沈陽科技學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

隨著輪胎工業(yè)的不斷發(fā)展，整車廠對(duì)輪胎的各項(xiàng)性能的要求也不斷提高，通過在輪胎的橡膠基體中添加填料以提高輪胎的各項(xiàng)性能成為主流趨勢(shì)。硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖[1-2]，主要成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3及有機(jī)質(zhì)等，其中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%，其具有多孔、質(zhì)輕、耐熱、吸水、比表面積大等特點(diǎn)[3-4]，被廣泛應(yīng)用于制備保溫材料、催化劑載體和填料等。硅藻土表面富含硅羥基和氫鍵，使其具有表面活性[5]，可與偶聯(lián)劑等反應(yīng)。

白炭黑是目前輪胎工業(yè)常用補(bǔ)強(qiáng)填料，硅藻土與白炭黑的結(jié)構(gòu)相似[6-8]，這也為硅藻土充當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)填料提供了可能。近年來，硅藻土被廣泛應(yīng)用于高分子材料的制備，也逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[9]。武衛(wèi)莉等[10]通過制備硅藻土/橡膠復(fù)合材料研究其力學(xué)性能和耐熱性能，結(jié)果表明改性硅藻土對(duì)天然橡膠（NR）、氟橡膠等5種橡膠具有較好的增強(qiáng)作用。謝強(qiáng)等[11]通過制備硅藻土/nano-MOS2復(fù)合改性氟橡膠，研究其摩擦損耗性能，結(jié)果表明添加1份nano-MOS2時(shí)硫化膠的體積磨耗量最小。S.S?KMEN等[12]通過制備硅基填充丁苯橡膠/順丁橡膠復(fù)合材料并研究油含量對(duì)橡膠與填料相互作用的影響，結(jié)果表明不同的餾分芳烴萃取物油含量對(duì)橡膠各項(xiàng)力學(xué)性能的影響不同。

本工作以硅藻土和白炭黑作為復(fù)合填料填充NR，并研究硅藻土用量對(duì)硅藻土/白炭黑復(fù)合填料補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠（DCNR）復(fù)合材料性能的影響，以期為橡膠新型填料的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

NR，牌號(hào)SVR3L，廣州市田本豐橡膠有限公司產(chǎn)品；白炭黑JZ-21，工業(yè)級(jí)，山東今朝化工有限公司產(chǎn)品；硅藻土（SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%），靈壽縣宇勝建材有限公司產(chǎn)品；硬脂酸、氧化鋅、防老劑4010NA、促進(jìn)劑NOBS、偶聯(lián)劑KH560和硫黃均為市售品。

1.2 配方

NR 100，白炭黑 35，硅藻土 變量，偶聯(lián)劑KH560 2，氧化鋅 4.5，硬脂酸 3.5，防老劑4010NA 1.5，硫黃 1.5，促進(jìn)劑NOBS 1.5。

1.3 主要設(shè)備和儀器

TY-7007型開煉機(jī)，江蘇天源試驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；ZS-460B-30-350型平板硫化機(jī)，東莞市卓勝機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；LX-A型邵氏硬度計(jì)，溫州恒潤(rùn)檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；WDW-10KN型合成材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南鼎測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；CSI型阿克隆耐磨檢測(cè)儀，上海程斯智能科技有限公司產(chǎn)品；EVO型掃描電子顯微鏡（SEM），德國ZEISS公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

在開煉機(jī)加入NR，包輥10次，調(diào)寬輥距，依次加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑、促進(jìn)劑、偶聯(lián)劑、白炭黑和硅藻土，混煉均勻后加入硫黃混煉均勻，室溫下停放12 h。

在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150 ℃/10 MPa×（t90＋5 min）。

1.5 測(cè)試分析

邵爾A型硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法 第1部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》進(jìn)行測(cè)試；拉伸性能按照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；磨耗性能按照GB/T 1689—2014《硫化橡膠耐磨性能的測(cè)定（用阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)）》進(jìn)行測(cè)試；采用SEM觀察DCNR復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料硫化特性的影響如表1所示。

表1 硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料硫化時(shí)間的影響 min

從表1可以看出，隨著硅藻土用量的增大，DCNR復(fù)合材料的t10和t90先延長(zhǎng)后縮短。這說明硅藻土/白炭黑復(fù)合填料的加入，提高了白炭黑對(duì)促進(jìn)劑的吸附能力。

2.2 邵爾A型硬度

硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料硬度的影響如圖1所示。

圖1 硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料邵爾A型硬度的影響

從圖1可以看出，隨著硅藻土用量的增大，DCNR復(fù)合材料的硬度先增大后減小。與未添加硅藻土的復(fù)合材料相比，硅藻土用量為5份的DCNR復(fù)合材料的硬度略增大，這是由于NR分子被吸附到硅藻土表面，改變了DCNR復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，NR分子的移動(dòng)受到阻礙；繼續(xù)增大硅藻土用量，DCNR復(fù)合材料的硬度減小，這是由于硅藻土表面的羥基增多，硅藻土難以分散到NR基體中，發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使得DCNR復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞。

2.3 拉伸性能

硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率的影響如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著硅藻土用量的增大，DCNR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率均減小。這是由于隨著硅藻土用量的增大，NR分子附著在硅藻土的間隙和表面，逐漸形成少量的結(jié)合膠，游離的NR分子逐漸減少，使得DCNR復(fù)合材料的拉伸性能下降。與未添加硅藻土的復(fù)合材料相比，加入硅藻土后DCNR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率均有下降，這是由于硅藻土本身的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，使得DCNR復(fù)合材料的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，故DCNR復(fù)合材料的拉伸性能差于未加入硅藻土的復(fù)合材料。

圖2 硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.4 耐磨性能

硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料阿克隆磨耗量的影響如圖3所示。

圖3 硅藻土用量對(duì)DCNR復(fù)合材料阿克隆磨耗量的影響

從圖3可以看出，隨著硅藻土用量的增大，DCNR復(fù)合材料的阿克隆磨耗量增大。這是由于硅藻土表面的活性點(diǎn)與白炭黑相比較少，與NR分子之間的結(jié)合力弱于白炭黑，在磨耗過程中更容易脫落，使得NR基體表面變得凹凸不平，繼而使DCNR復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大，耐磨性能下降。

2.5 SEM表面形貌

未加硅藻土和硅藻土用量為5和15份的DCNR復(fù)合材料的表面形貌如圖4所示。

從圖4可以看出：未加硅藻土復(fù)合材料的表面粗糙且凹凸不平[圖4（a）]；硅藻土用量較小時(shí)，硅藻土顆粒均勻地分布在NR基體表面，有較少的團(tuán)聚[圖4（b）]；硅藻土用量較大時(shí)，硅藻土團(tuán)聚形成的二次聚體分布在NR基體表面，放大后團(tuán)聚現(xiàn)象更加明顯[圖4（c）和（d）]，硅藻土團(tuán)聚后破壞了DCNR復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了硅藻土/白炭黑復(fù)合填料的補(bǔ)強(qiáng)效果。

圖4 DCNR復(fù)合材料的SEM照片

3 結(jié)論

（1）隨著硅藻土用量的增大，DCNR復(fù)合材料的t10和t90先延長(zhǎng)后縮短。

（2）硅藻土用量較小時(shí)，可提高DCNR復(fù)合材料的硬度；硅藻土用量過大，易產(chǎn)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而降低硅藻土/白炭黑復(fù)合填料對(duì)NR基體的補(bǔ)強(qiáng)效果，使得DCNR復(fù)合材料的綜合物理性能下降。