超細硅酸鋁在天然橡膠中的補強性能研究

張怡華，王艷（天津七二九體育器材開發(fā)有限公司，天津，300384）（天津市質(zhì)量監(jiān)督檢驗站第四十二站，天津，300384）

超細硅酸鋁在天然橡膠中的補強性能研究

張怡華1，王艷2
（1天津七二九體育器材開發(fā)有限公司，天津，300384）
（2天津市質(zhì)量監(jiān)督檢驗站第四十二站，天津，300384）

研究了超細硅酸鋁在天然橡膠中部分替代白炭黑對混煉加工性能和物理機械性能的影響。

天然橡膠、硅酸鋁、補強、偶聯(lián)劑、白炭黑。

前言

隨著橡膠工業(yè)的發(fā)展，原材料和能源價格不斷上漲，導致消耗量最大的補強填料-炭黑、白炭黑在橡膠工業(yè)中的應用受到限制。再者，由于人們對淺色橡膠制品需求增加，橡膠工業(yè)對無機淺色填料的需求特別大。超細硅酸鋁是一種新型功能性硅酸鹽，被人們稱作“合成高嶺土”。它屬于一種層狀硅酸鹽，具有顆粒細、白度高等特點。本文研究了超細硅酸鋁部分替代白炭黑在天然橡膠中的補強性能。

1　實驗部分

1.1主要原材料

SCRWF標準天然橡膠，云南農(nóng)墾集團有限責任公司；超細硅酸鋁 AS881：河北廊坊津固化工廠；白炭黑175：羅地亞（青島）白炭黑有限公司產(chǎn)品；硼酸酯偶聯(lián)劑：青島四維化工有限公司產(chǎn)品；其它助劑均為市售工業(yè)級。

1.2儀器與設備

XK-160型開煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司；YX-100型平板硫化機，上海西瑪偉力橡塑機械有限公司；XSM-500橡塑試驗密煉機，上?？苿?chuàng)橡塑機械設備有限公司；GT-7080-S2型門尼粘度儀，高鐵檢測儀器有限公司；GT-7042-RE橡膠回彈性實驗機，高鐵檢測儀器有限公司；電子拉力強度試驗機，臺灣高鐵科技有限公司；M-2000無轉子硫化儀，臺灣高鐵科技有限公司。

1.3實驗配方及測試

1.3.1試驗配方

NR 100、SA 0.8、石蠟 0.5、ZnO 5、超細硅酸鋁/白炭黑 50、PEG4000 6、環(huán)烷油 30、防老劑SP 2、LH-881樹脂 2、S 2.6、促進劑D 0.4、促進劑M 0.6、促進劑DM 1.2

1.3.2性能測試

硫化特性測試采用M2000型無轉子硫化儀按GB/T 9869-1997在160℃進行測試，根據(jù)硫化儀曲線確定工藝正硫化時間；門尼測試采用EKT-2000M型門尼粘度計，按照國標GB/T1232.1-2000測定門尼粘度；力學性能的測試采用GT-AI-7000M型拉力試驗機按GB/T528-1998測試試樣的拉伸強度和拉斷伸長率；硬度的測定用硬度測試儀按 GB/T 531-1999標準在室溫下測定樣品的硬度；沖擊彈性的測定用回彈性試驗機按GB/T 1681-91標準在室溫下測定樣品的沖擊彈性；

1.4試樣制備

1.4.1改性超細硅酸鋁的制備

將計量好的超細硅酸鋁倒入高速攪拌機內(nèi)，開機攪拌，打開油浴加熱開關，待料溫達到80℃后加入計量好的硼酸酯偶聯(lián)劑；繼續(xù)攪拌20 min后，停機，倒出改性超細硅酸鋁，備用。

1.4.2混煉膠的制備

用0.5L試驗密煉機制備混煉膠，混煉工藝如下：

密煉機混煉工藝起始溫度為50℃，轉子轉速為77r/min。將NR投入開煉機塑煉5遍，制成塑煉膠。塑煉膠（60s）→小料（SA、石蠟、ZnO、SP、LH-881）（60s）→填料、油（180s）→硫黃、D、M、DM（60s）→提上頂栓，清掃，落上頂栓（60s）→排膠。

開煉機下片，前后輥筒起始溫度70℃，輥距1.5mm，包輥1min，左右3/4處割膠各2次，0.5mm薄通5遍，2mm下片制得混煉膠。

1.4.3硫化試樣的制備

使用無轉子硫化儀測試混煉膠 160℃下的硫化時間，使用平板硫化機硫化試樣：拉伸、撕裂試樣硫化條件為160℃×10MPa×（tc90+1min）；回彈試樣硫化條件為160℃×10MPa×（tc90+2 min）。

2　結果與討論

2.1超細硅酸鋁取代白炭黑的用量

1#膠料至5#膠料中，超細硅酸鋁/白炭黑的比例逐漸增加，通過對5種膠料性能的測試，確定超細硅酸鋁取代白炭黑的合適用量。

2.1.1混煉特性

表1　膠料混煉能耗及排膠溫度

由表1可以看出，用超細硅酸鋁取代部分白炭黑后，膠料的混煉能耗和排膠溫度均降低，且隨超細硅酸鋁取代白炭黑量的增多而逐漸降低，表明混煉超細硅酸鋁膠料的能耗和生熱性低于白炭黑膠料。這與超細硅酸鋁為片層粒子結構，粒徑比較大，且表面活性低有關。

2.1.2門尼黏度及門尼焦燒

表2　膠料的門尼黏度與門尼焦燒

從表2中可以看出，超細硅酸鋁取代白炭黑后混煉膠的門尼黏度會明顯下降。門尼黏度隨著超細硅酸鋁用量的增多逐漸減小的原因是白炭黑的高比表面積和高結構度，具有強大的能屏蔽膠料彈性作用，導致白炭黑在膠料中會以凝膠為中心聚集成團，使白炭黑在膠料中的流體力學體積增大，流動性變差，導致門尼黏度增大。而超細硅酸鋁為片層結構，粒徑大，比表面積小，對膠料的吸附及屏蔽作用弱。因此隨超細硅酸鋁取代白炭黑用量的增多，白炭黑流體力學體積增大的效應會減弱，膠料的流動性變好。所以從1#膠料到5#膠料，隨著超細硅酸鋁用量的增加，門尼黏度明顯減小。

從表2中也可以看出，門尼焦燒時間t5延長，原因在于膠料門尼黏度下降，流動性變好，在模腔內(nèi)保持流動性的時間延長引起的。說明膠料的加工安全性略有提高，更適合于工廠實際生產(chǎn)。

2.1.3硫化特性

表3　膠料硫化特性

從表3中可以看出，膠料中超細硅酸鋁取代白炭黑后，工藝正硫化時間 tc90明顯縮短。tc90明顯縮短的原因主要是白炭黑表面有比較強的吸附性，可以和水以氫鍵的形式結合，形成多分子吸附層；還可以吸附膠料中的促進劑，從而有延遲硫化的作用；其次，白炭黑表面顯酸性，也會有延遲硫化的作用。以上兩方面使混煉膠的 tc90明顯延長，而超細硅酸鋁對促進劑的吸附性很小，pH 9.7-10.8，延遲硫化膠料現(xiàn)象很弱。所以從1#膠料到5#膠料，隨著超細硅酸鋁的用量依次增加即白炭黑用量依次減少，混煉膠的tc90逐漸縮短。

2.1.4物理機械性能

表4　硫化膠物理機械性能

（1）拉伸撕裂性能

從表4中可以看出，隨著超細硅酸鋁用量的增加，硫化膠的拉伸強度和撕裂強度均有所下降，而 100%定伸、300%定伸變化不大，扯斷伸長率略有下降。

其原因主要是超細硅酸鋁具有無機礦物表面固有的親水疏油性，在橡膠等有機聚合物中的浸潤性差，不易分散，大量填充會導致材料機械性能下降。

（2）硬度和沖擊彈性

從表4可以看出，超細硅酸鋁取代部分白炭黑后，隨超細硅酸鋁取代炭黑量增多，膠料的硬度逐漸下降，沖擊回彈有所增大。這與超細硅酸鋁粒徑大，比表面積小，表面活性低有關。

3　結論

超細硅酸鋁取代部分白炭黑后，膠料的混煉能耗和排膠溫度均降低；門尼黏度會明顯下降；工藝正硫化時間tc90明顯縮短；硫化膠的拉伸強度和撕裂強度均有所下降，而 100%定伸、300%定伸變化不大，扯斷伸長率略有下降；膠料的硬度逐漸下降，沖擊回彈有所增大；實際應用中可根據(jù)實際需要調(diào)整超細硅酸鋁/白炭黑的比例，達到既節(jié)能降耗，降低成本，改善膠料彈性滯后損耗，又能夠接近白炭黑補強性能的效果。

［1］ 戴俊.硅酸鹽在橡膠補強中的應用［J］.合成材料老化與應用，2005.02.（44～49）；

［2］ 許曉秋，莫士杰.活性偏硅酸鋁橡塑補強填料在橡膠制品中的開發(fā)應用［J］.天津橡膠，1997，04（2～4）。

張怡華（1982～），男，天津七二九體育器材開發(fā)有限公司研發(fā)工程師，主要從事乒乓球套膠配方設計及加工工藝設計。