天然橡膠-伊/蒙粘土復(fù)合材料的制備與性能研究

馮富強(qiáng)，朱德創(chuàng)，唐海龍，袁 意，吳文康

（海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 海南先進(jìn)天然橡膠復(fù)合材料工程研究中心，海南 澄邁 571924）

天然橡膠（NR）由于彈性好和強(qiáng)度高等特點(diǎn)，廣泛用于輪胎和橡膠制品領(lǐng)域[1-3]。受橡膠樹生長(zhǎng)環(huán)境及其自身結(jié)構(gòu)的影響，NR的耐磨性能和耐老化性能較差，限制了其在軍用航空輪胎和載重輪胎等特殊產(chǎn)品中的應(yīng)用[4-5]，因此高性能NR復(fù)合材料的研究越來(lái)越受到關(guān)注。

伊/蒙粘土（YM）是伊利石與蒙脫石間層或混層中的粘土礦物，是蒙脫石礦物在成巖作用下向伊利石礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的一種過(guò)渡礦物，屬于典型層狀硅酸鹽礦物[6]。YM作為蒙脫石伊利石化的天然產(chǎn)物，不僅具有與蒙脫土相似的納米層狀結(jié)構(gòu)，而且二氧化硅含量較高，可賦予橡膠材料良好的加工性能、氣體阻隔性能、耐磨性能和耐老化性能，且兼具良好的補(bǔ)強(qiáng)性能。

本工作將YM添加到濃縮天然膠乳中，制備NR-YM復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱NR-YM），并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

濃縮天然膠乳，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司海南經(jīng)緯乳膠絲有限責(zé)任公司提供；YM，中科納達(dá)控股有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

NR-YM 100（按NR計(jì)），氧化鋅 5，硬脂酸 2，防老劑4010NA 1，硫黃 2，促進(jìn)劑CZ 1.2。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-150型開煉機(jī)，廣東省湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；XLB-D型平板硫化機(jī)，湖州宏僑橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；GT-M2000-A型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀和GT-7012-A型耐磨試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；UT-2080型拉力試驗(yàn)機(jī)，優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；401-A型老化試驗(yàn)箱，江都市道純實(shí)驗(yàn)機(jī)械廠產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

將稀釋至一定干膠含量的天然膠乳與總固體含量一定的YM水分散體共混，攪拌均勻后加乙酸凝固，經(jīng)脫水、干燥后制得NR-YM。

膠料在開煉機(jī)上混煉。加料順序?yàn)椋篘R-YM（或NR）→塑煉→氧化鋅、硬脂酸和防老劑→混煉均勻→硫黃和促進(jìn)劑→薄通→打三角包→下片。混煉膠停放8 h后在平板硫化機(jī)上硫化（143℃×20 min）。

1.5 性能測(cè)試

生膠的理化性質(zhì)和膠料性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果和討論

2.1 理化性質(zhì)

NR-YM的理化性質(zhì)見表1。

從表1可以看出：與NR相比，NR-YM的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，且隨著YM用量增大，NR-YM的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大；NR-YM的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均沒有明顯差異，表明YM的加入不會(huì)增大NR-YM的烘干難度，也不會(huì)導(dǎo)致含氮物質(zhì)增多。

表1 NR-YM的理化性質(zhì)

2.2 硫化特性

NR-YM膠料的硫化特性見表2。

表2 NR-YM膠料的硫化特性（143 °C）

從表2可以看出：與NR膠料相比，NR-YM膠料的FL和Fmax增大，F(xiàn)max是膠料交聯(lián)密度以及填料對(duì)橡膠基體補(bǔ)強(qiáng)綜合作用的表征[7]，F(xiàn)max大說(shuō)明YM與NR相容性良好，NR-YM膠料的交聯(lián)密度大；NR-YM膠料的t10和t90延長(zhǎng)，加工安全性能提高。

2.3 物理性能

NR-YM膠料的物理性能見表3。

從表3可以看出：與NR膠料相比，NR-YM膠料的300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度總體提高；隨著YM用量增大，NR-YM膠料的300%定伸應(yīng)力提高，拉伸強(qiáng)度先提高后降低，YM用量為8份時(shí)，NR-YM膠料的拉伸強(qiáng)度最高。這是由于YM與NR良好相容，膠料混煉過(guò)程中YM均勻分散在NR基體中，部分NR分子插層于YM片層之間；硫化時(shí)YM片層與NR基體形成較好的界面連接，形成相互纏結(jié)的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并促進(jìn)硫化反應(yīng)，使膠料的交聯(lián)密度增大，從而提高膠料的強(qiáng)度[8]。

表3 NR-YM膠料的物理性能

從表3可以看出：與NR膠料相比，NR-YM膠料的耐磨性能提高；隨著YM用量增大，NR-YM膠料的耐磨性能先提高后降低，YM用量為8份時(shí)，NR-YM膠料的耐磨性能最好。這是由于YM與NR良好的相容性阻礙了NR分子鏈呈帶狀結(jié)構(gòu)抽出，減弱了發(fā)生粘附摩擦的趨勢(shì)，從而顯著提高了NR-YM膠料的耐磨性能[9]。

從表3可以看出，與NR膠料相比，NR-YM膠料的耐熱氧老化性能提高，YM用量為5和8份時(shí)，NR-YM膠料的耐熱氧老化性能較好。這是因?yàn)槲刺砑覻M時(shí)，NR中的橡膠烴在氧氣作用下產(chǎn)生自由基，并被氧化成氫過(guò)氧化物，再進(jìn)一步分解成氧化物與新的自由基，從而導(dǎo)致橡膠烴分子鏈不斷斷裂，使NR結(jié)構(gòu)受到破壞[10]。而添加YM后，YM特有的納米層狀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的氣體阻隔性，有效地阻止了氧氣侵入，從而使NR-YM膠料具有較好的耐熱氧老化性能。但YM用量過(guò)大，NR-YM膠料的耐熱氧老化性有所下降。

3 結(jié)論

（1）與NR相比，NR-YM的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，揮發(fā)分和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有明顯差異。

（2）與NR膠料相比，NR-YM膠料的Fmax增大和t10延長(zhǎng)，交聯(lián)密度增大，加工安全性能提高。

（3）與NR膠料相比，NR-YM膠料的300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、耐磨性能和耐熱氧老化性能提高。

（4）隨著YM用量增大，NR-YM膠料的拉伸強(qiáng)度、耐磨性能和耐熱氧老化性能先提高后降低；當(dāng)YM用量為8份時(shí)，NR-YM復(fù)合材料的綜合性能最好。