炭黑補(bǔ)強(qiáng)丁苯橡膠的力學(xué)性能研究

郝妙琴

(中檢評(píng)價(jià)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710065)

丁苯橡膠(SBR)是最大的通用合成橡膠品種，也是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的橡膠之一[1]。它是丁二烯與苯乙烯的無規(guī)共聚物。加工性能及制品的使用性能接近于天然橡膠，耐磨、耐熱、耐老化較好，用途廣泛。但純丁苯橡膠強(qiáng)度和模量很低、內(nèi)耗大、彈性較小，往往需要與其他橡膠、樹脂、增強(qiáng)劑等等進(jìn)行共混改性[2～6]。

炭黑增強(qiáng)丁苯橡膠是以橡膠為基體，以炭黑顆粒為增強(qiáng)相的復(fù)合材料。炭黑在橡膠體系中起補(bǔ)強(qiáng)和填充作用，以改善橡膠制品性能。純丁苯橡膠拉伸強(qiáng)度只有3.5 MPa，沒有應(yīng)用價(jià)值，加入炭黑補(bǔ)強(qiáng)后，其拉伸強(qiáng)度提高到25 MPa左右[7～12]。

在炭黑-丁苯橡膠體系中，炭黑以顆粒分散于橡膠體系中，炭黑的活性表面通過物理及化學(xué)作用與若干高分子鏈相結(jié)合形成一種交聯(lián)結(jié)構(gòu)，稱為類交聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)其中一根分子鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力時(shí)，可以通過交聯(lián)點(diǎn)將應(yīng)力分散到其他分子鏈上，如果其中某一根鏈發(fā)生斷裂，其他鏈可以照樣起作用，而不危及整體；從而使其力學(xué)強(qiáng)度大幅升高。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用主要材料見表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備列示表2。

1.3 實(shí)驗(yàn)工藝及路線

1.3.1 混煉工藝

實(shí)驗(yàn)采用密煉機(jī)煉膠，煉膠采用兩段法，即先用密煉機(jī)將生膠和除硫磺、促進(jìn)劑之外的配合劑混煉，得到母煉膠，用開煉機(jī)下片之后，將母煉膠停放一定的時(shí)間。

表1 實(shí)驗(yàn)主要試劑

表2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

1.3.2 開煉工藝路線

母煉膠(塑煉，薄通6次)→硫化體系(吃完料后，左右3/4各割3刀)→打三角包6次→排氣下片。

1.3.3 密煉工藝路線

提起上頂栓→加入生膠→壓下上頂栓(30～50 min)→提起上頂栓→加入配合劑和2/3炭黑→壓下上頂栓(50～60 min)→提起上頂栓→加入剩余1/3炭黑→壓下上頂栓(30 min)→提起上頂栓，隨后壓下(30 min)→提起上頂栓，隨后壓下(扭矩值開始平穩(wěn))→將上頂栓提起一半(掃車)→壓下上頂栓(30～50 min)→提起上頂栓→開啟下頂栓，排料→開煉機(jī)下片后，停放。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 炭黑種類對(duì)T2000R性能的影響

2.1.1 炭黑種類對(duì)T2000R硫化膠拉伸性能的影響

由圖1可以得知，隨著炭黑粒徑的增加，T2000R和1502硫化膠的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)樘亢诹皆黾印⒔Y(jié)構(gòu)度的降低，炭黑的比表面積減少，生成的結(jié)合膠少，補(bǔ)強(qiáng)性降低。從圖上還可以看出T2000R的拉伸強(qiáng)度比1502要小，這可能是因?yàn)樵谖⒂^結(jié)構(gòu)上1502的柔順性比T2000R要好，所以膠料的內(nèi)聚能比較大，從而使1502的拉伸強(qiáng)度要比T2000R的大。

圖1 拉伸強(qiáng)度與炭黑種類的關(guān)系

由圖2可以得知：T2000R與1502相比定伸應(yīng)力較小但是差別不大，而且隨炭黑粒徑與結(jié)構(gòu)度的變化規(guī)律相同。它們的定伸應(yīng)力都是隨著粒徑的增大而減小，隨著結(jié)構(gòu)度的增大而增大。炭黑的性質(zhì)對(duì)硫化膠的定伸應(yīng)力的影響以結(jié)構(gòu)性能最為明顯，隨著結(jié)構(gòu)度的提高，定伸應(yīng)力提高。因?yàn)樘亢诘慕Y(jié)構(gòu)性高，說明炭黑聚集體中的空隙較多。與填充結(jié)構(gòu)度低炭黑的硫化膠相比，欲達(dá)到相同的形變時(shí)，填充高結(jié)構(gòu)炭黑的硫化膠中橡膠大分子部分的變形就得大一些，變形所需的外力就要大一些，所以定伸應(yīng)力要增大。

由圖3可以看出：丁苯橡膠的斷裂伸長率隨著炭黑粒徑的增加而降低，隨著結(jié)構(gòu)度的增加而降低。而且在結(jié)構(gòu)度和粒徑較小的時(shí)候，T2000R和1502的斷裂伸長率相差不大，當(dāng)粒徑比較大時(shí)T2000R的斷裂伸長率比1502的下降程度要大。一般隨著定伸應(yīng)力和硬度的增大，斷裂伸長率下降。這是因?yàn)殡S著硫化膠定伸應(yīng)力和硬度的增加，硫化膠在較小的形變下就可能發(fā)生破壞。所以硫化膠的伸長率會(huì)下降。另外有較大的拉伸強(qiáng)度是大的斷裂伸長率的前提，所以從圖3得到的規(guī)律也可解釋硫化膠的斷裂伸長率下降。

圖2 炭黑種類與定伸應(yīng)力的關(guān)系

圖3 炭黑種類與斷裂伸長率的關(guān)系

2.1.2 炭黑種類對(duì)T2000R硫化膠撕裂強(qiáng)度的影響

由圖4可知，隨著粒徑的增大，結(jié)構(gòu)度的降低，T2000R和1502硫化膠的撕裂強(qiáng)度有所降低。在相同粒徑的情況下，結(jié)構(gòu)度較低的炭黑能夠賦予硫化膠較大的高伸長率，所以能夠提高硫化膠的撕裂強(qiáng)度。炭黑的結(jié)構(gòu)度高的時(shí)候，包容膠較多，結(jié)合膠的網(wǎng)構(gòu)密度提高，阻礙了大分子鏈運(yùn)動(dòng)，在撕裂的過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，所以撕裂強(qiáng)度比較低。在整體的趨勢(shì)上T2000R的撕裂強(qiáng)度要比1502要小。

圖4 撕裂強(qiáng)度與炭黑種類的關(guān)系

2.1.3 炭黑種類對(duì)T2000R硫化膠硬度的影響

由圖5能夠得到，隨著炭黑的粒徑增大，結(jié)構(gòu)度的減少，T2000R和1502的硬度逐漸降低。這可能是因?yàn)樘亢诹降脑龃?，使得比表面積的減少，使橡膠的結(jié)合膠減少，在一定的程度上使硫化膠的硬度有所降低。隨著結(jié)構(gòu)度的提高，說明炭黑聚集體中的空隙較多。與填充結(jié)構(gòu)度低炭黑的硫化膠相比，欲達(dá)到相同的形變時(shí)，填充高結(jié)構(gòu)炭黑的硫化膠中橡膠大分子部分的變形就得大一些，變形所需的外力就要大一些，所以硬度要增大。

圖5 炭黑種類與硬度的關(guān)系

2.1.4 炭黑種類對(duì)T2000R硫化膠耐屈撓疲勞性能的影響

從圖6可以看出，使用N330補(bǔ)強(qiáng)的T2000R和1502硫化膠的耐屈撓性能最好?？赡苁且?yàn)榱教?，比表面積越大，炭黑對(duì)橡膠分子的吸附力大，使得承受應(yīng)力的橡膠鏈段不能很快的通過分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力松弛，致使橡膠分子鏈中的化學(xué)鍵在應(yīng)力作用下被減弱或打斷；而粒徑太大，對(duì)硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)作用差，強(qiáng)度低，耐疲勞性能降低。

圖6 炭黑種類與屈撓疲勞性能的關(guān)系

另外1502硫化膠的耐裂口增長性能隨著炭黑粒徑的增大變好?？赡芤?yàn)樘亢诹酱螅亢趯?duì)橡膠分子的吸附力小，使得承受應(yīng)力的橡膠鏈段應(yīng)力松弛速度較快，則裂紋增長較慢。

2.1.5 炭黑種類對(duì)T2000R硫化膠耐磨耗性能的影響

由圖7可以看出，隨著炭黑粒徑的減小，結(jié)構(gòu)度的增大，硫化膠的耐磨耗性能提高。這是因?yàn)樘亢诘牧叫?，結(jié)構(gòu)度高，對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性高的原因。另外，炭黑的粒徑和結(jié)構(gòu)度對(duì)T2000R和1502硫化膠具有相同的影響規(guī)律。

圖7 耐磨耗性能與炭黑種類的關(guān)系

2.2 炭黑用量對(duì)T2000R性能的影響

2.2.1 炭黑用量對(duì)T2000R硫化膠拉伸強(qiáng)度的影響

由圖8可以看出，隨著炭黑用量的增加，硫化膠的拉伸強(qiáng)度先上升后下降，在炭黑用量50份時(shí)達(dá)到最高值。

圖8 炭黑用量與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

由圖9看出，隨著炭黑用量的增大，硫化膠的定伸應(yīng)力逐漸增大。

圖9 炭黑用量與定伸應(yīng)力的關(guān)系

由圖10可以看出，隨著炭黑用量的增加，硫化膠斷裂伸長率先上升后下降。在炭黑用量較低時(shí)，隨著用量的增加，炭黑對(duì)硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)作用明顯，使得硫化膠的拉伸強(qiáng)度迅速增大，因此斷裂伸長率增加；當(dāng)炭黑用量超過一定值后，形成較多的結(jié)合橡膠，限制了橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)，因此斷裂伸長率下降。

2.2.2 炭黑用量對(duì)T2000R硫化膠撕裂強(qiáng)度的影響

圖11中可以看出，隨著炭黑用量的增加，1502硫化膠的撕裂強(qiáng)度升高到一定值后趨向平穩(wěn)，而T2000R硫化膠的撕裂強(qiáng)度則隨著炭黑用量的增加逐漸增大，當(dāng)炭黑用量超過65份后，T2000R硫化膠的撕裂強(qiáng)度高于1502的。由此可以看出，與1502相比，T2000R具有較高的炭黑填充性能。

圖10 炭黑用量與斷裂伸長率的關(guān)系

圖11 炭黑用量與撕裂強(qiáng)度的關(guān)系

2.2.3 炭黑用量對(duì)T2000R硫化膠硬度的影響

由圖12可以看出，T2000R和1502的硬度是呈現(xiàn)出隨著炭黑用量的增加線性增加的規(guī)律。

2.2.4 炭黑用量對(duì)T2000R硫化膠耐屈撓疲勞性能的影響

由圖13可以看出，T2000R和1502硫化膠的疲勞壽命隨著炭黑用量的增多先增大后減小。這可能是因?yàn)樘亢诘挠昧吭诘陀?5份時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)效果作用明顯。隨著炭黑用量的進(jìn)一步增加，填料粒子的附聚作用導(dǎo)致橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增加，應(yīng)力集中點(diǎn)增加，降低了硫化膠的疲勞壽命。

圖12 炭黑用量與硬度的關(guān)系

圖13 炭黑用量與屈撓性能的關(guān)系

2.2.5 炭黑用量對(duì)T2000R硫化膠耐磨耗性能的影響

由圖14可以看出，隨著炭黑用量的增大，T2000R和1502硫化膠的耐磨耗性能都逐漸增大，通常橡膠的耐磨耗性能與硫化膠的拉伸強(qiáng)度成正比地增加，由圖14可以得知隨著炭黑用量的增加，硫化膠的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，所以硫化膠的耐磨耗性能增加。

圖14 耐磨耗性能與炭黑用量的關(guān)系

3 結(jié)論

炭黑對(duì)T2000R具有很好的補(bǔ)強(qiáng)效果；炭黑粒徑和結(jié)構(gòu)度對(duì)T2000R和1502的補(bǔ)強(qiáng)效果具有類似的影響規(guī)律。

炭黑用量對(duì)膠料的補(bǔ)強(qiáng)性有一最佳值，但是與1502相比，T2000R的炭黑填充量稍高。