納米黏土/丁苯橡膠復合材料結構和性能研究

侯亞合 王新 吉雷波 李潤飛

【摘? 要】論文采用機械共混法制備了納米黏土/丁苯橡膠（SBR）復合材料，與白炭黑對比研究了該復合材料的加工性能、物理機械性能和動態性能等。結果表明，納米黏土/SBR復合材料與白炭黑增強橡膠相比，分散性好、門尼黏度低、抗焦燒性能好，便于加工;補強性能好，復合材料具有良好的物理機械性能;散熱性、耐磨性好。

【Abstract】In this paper， nano-clay/SBR composites were prepared by mechanical blending method， and the machining properties， physical and mechanical properties and dynamic properties of the composites were compared with that of silica. The results show that the nano-clay /SBR composite has better dispersibility， lower mooney viscosity， better anti-coke performance and is easier to process than the silica reinforced rubber， and has good reinforcing properties， and the composite material has good physical and mechanical properties， and has good heat dissipation and wear resistance.

【關鍵詞】納米黏土;丁苯橡膠;加工性能;物理機械性能;動態性能

【Keywords】nano-clay; styrene butadiene rubber; machining properties; physical and mechanical properties; dynamic properties

【中圖分類號】TQ332? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）05-0169-03

1 引言

納米黏土/橡膠復合材料是以橡膠為基體連續相、黏土以納米尺度分散于基體中的新型高分子復合材料，可通過溶膠-凝膠法、插層法、共混法制備。納米黏土具有納米級別的粒徑，表面經過改性處理，能較好地分散在橡膠基體中并形成良好的界面結合效果，因而能在納米尺度實現對橡膠的補強。納米黏土/橡膠復合材料具有優良的加工工藝性能、較高的機械強度和較好的熱穩定性，具有十分廣闊的市場應用前景。

本研究使用的納米黏土是一種半合成、納米級無機硅礦物粉末狀材料，產品名稱為Superfil R 505，其聚集體在微觀狀態下呈相互分離的晶片，晶片平均直徑在200～500nm，晶片厚度在20～50nm。

丁苯橡膠是最早的工業化的合成橡膠，也是目前產量和消耗量最大的合成橡膠，廣泛應用于輪胎工業和汽車零件、電線電纜、膠管膠帶等工業產品，以其為基體研究納米黏土/橡膠復合材料的結構與性能，在理論和應用上均具有重要意義。本文主要研究了納米黏土/丁苯橡膠復合材料的加工性能、物理機械性能和動態性能等。

2 實驗

2.1 原材料

SBR 1502，上海越廣橡膠化工有限公司;碳酸鈣，中國石化南京化工廠;白炭黑，滄州杰威化工有限公司;納米黏土，Superfil R 505，棗莊市三興高新材料有限公司;其余均為市售工業品。

2.2 儀器及設備

XK-250（160）型開放式煉膠機，無錫第一橡膠機械有限公司;QL-25型平板硫化機，上海西瑪偉力橡塑機械有限公司;GT-M2000A型橡膠無轉子硫化儀、GT-7080-52型門尼黏度試驗機、AI-7000-GD型電子拉力機、RH-2000N型壓縮生熱試驗機，高鐵檢測儀器有限公司;JSM-6510型掃描電鏡，JEOL（日本電子公司）; RPA-2000型橡膠加工分析儀，Alpha Technologies。

2.3 試樣制備

基本配方（質量份）：SBR 100，硫磺 1.8，氧化鋅 4，硬脂酸 2.5，促進劑NOBS 1.2，碳酸鈣 30，防老劑RD 2，PEG4000 0.3，黏土/白炭黑變量（NT/WCB =0/30，10/20，15/15，20/10，30/0）。

試樣制備：按配方在XK-250開煉機上制備SBR母煉膠，在XK-160開煉機上加入黏土/白炭黑（變量），最后加入硫黃，混煉均勻后下片，停放2h后于溫度155℃、壓力15MPa下硫化，硫化時間為硫化儀測定的工藝正硫化時間（t90）。

2.4 性能測試

將納米黏土/SBR復合材料樣條在液氮中冷凍折斷后，表面噴金，用SEM觀察斷面表面形貌;采用橡膠加工分析儀測定膠料加工性能，掃描溫度90℃，應變幅度0.042;膠料門尼黏度、硫化特性、動態性能、物理機械性能、DSC熱分析均按照相應的ASTM標準進行。

3 結果與討論

3.1 納米黏土在NR中的分散

圖1是Superfil R 505的掃描電鏡照片，可見納米黏土具有良好的片層狀結構，且晶體分離，具有較好的分散性能;表面含有活性-Si-OH基團，表面處理后，引入兩性基團，一端連接納米黏土表面-OH，另一端與橡膠發生反應。圖2是納米黏土填充量為15phr的復合材料電鏡照片，其中深色背景為SBR橡膠基體，白色亮點為黏土片層?？梢奡uperfil R 505黏土基本上以納米級尺寸分散在NR基體中，也存在少量的聚集體，其總體分散較為均勻。

3.2 納米黏土/SBR復合材料的門尼粘度

其中，1-NT表示納米黏土，2-白炭黑，下同。

由表1可以看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，膠料門尼黏度值有較大幅度減小。這是由于該納米黏土為片層結構，具有中高結構度，利于減低門尼黏度，增加流動性，改善膠料模壓充模型能。

3.3 納米黏土/SBR復合材料的硫化特性

由表2可以看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，膠料的焦燒時間t10先增大后減小、工藝正硫化時間t90逐漸縮短。這表明該納米黏土對硫化有較大的促進作用，使膠料的硫化速度提高;選擇合適的填充量，既可以提高生產效率，又能保證膠料加工的安全性。

3.4 納米黏土/SBR復合材料混煉膠動態性能

由圖3和圖4可看出，隨頻率增大，復合材料混煉膠儲能模量（G'）與損耗模量（G"）均增大;同一頻率下，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，復合材料G'與G"均減小，納米黏土復合材料的加工性能優于白炭黑復合材料。

3.5 納米黏土/NR復合材料的物理機械性能

由表3可看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，復合材料的拉伸強度、300%定伸應力、撕裂強度呈先升高后下降趨勢，耐磨性能逐漸降低，表明納米黏土在SBR中具有較好的補強性能，且補強水平高于白炭黑。這主要是由于該納米黏土為納米級填料，具有片狀形態和較好的分散性，使膠料具有良好的力學性能。

從壓縮生熱數據可以看出，隨納米黏土用量（NT/WCB）增加，復合材料硫化膠的溫升、壓縮永久變形、最終壓縮率、磨耗體積均有較大幅度降低。這是因為經表面改性的納米黏土分散性好、生成的交聯網絡更加均勻，散熱性能和承擔應力的能力都提高。

3.6 納米黏土/NR復合材料的玻璃化溫度

由圖5可看出，改變納米黏土和白炭黑的用量，復合材料玻璃化溫度變化不大，表明納米黏土與白炭黑對復合材料耐寒性的影響相當。

4 結論

納米黏土、白炭黑分別與SBR復合，具有以下特點：

①納米黏土補強性能好，納米黏土/SBR復合材料具有良好的物理機械性能;②納米黏土分散性好、門尼黏度低、焦燒性能好，混煉膠便于加工;③納米黏土/SBR復合材料散熱性、耐磨性好。

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