硼泥炭黑NR、CR復合材料的制備與性能研究

張世鑫

摘 要：以少量硼泥替代炭黑，制備硼泥/炭黑/NR、CR復合材料，并對其性能進行研究。結果表明：硼泥對天然橡膠/氯丁橡膠二元膠具有一定的補強作用。硼泥做填充料使天然橡膠/氯丁橡膠二元膠有較好的耐油性能、較好的阻燃性、較好的硬度。用掃描電子顯微鏡對硼泥/氯丁橡膠（CR）天然橡膠（NR）樣品進行形態結構分析表明硼泥與CRNR二元膠界面相容性較好。

關鍵詞：硼泥 天然橡膠 氯丁橡膠 復合材料

中圖分類號：TQ336.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0062-02

硼泥是以硼礦石為原料，生產硼砂以及硼酸等硼化工產品剩余的固體廢棄物。硼砂生產早期主要采用硼鎂石礦做原料（B2O3 7%～20%，MgO30%～40%，SiO215%～25%，FeO3%～5%，少量的CaO和Al2O3），采用碳堿法生產硼砂，每生產1噸硼砂大約產生4噸左右的硼泥（B2O31.5%～3.0%，MgO30%～40%，SiO2 20%～25%，Na2O0.1%～0.5%，Fe2O33%-5%，少量的CaO和Al2O3），pH值8～9，粒度（200目）[1]。硼泥未經過任何環保技術處理，且又是露天排放，因此已造成硼化物生產區的嚴重環境污染。所以無論從環境保護還是資源利用的角度看，對硼泥進行有效的綜合利用研究都是非常必要和迫切的。

硼泥平均粒徑為15 μm左右，小于14 μm的占90%，與輕質碳酸鈣的平均粒徑相當。硼泥表面是多孔穴的假山石結構，是一種具有良好補強作用的填充劑[2-3]。

1 實驗

1.1 主要原材料

如表1所示。

1.2 基本配方

如表2所示。

1.3 主要設備與儀器

本實驗主要設備與儀器如表3所示。

1.4 試樣制備

實驗用改性橡膠樣條的制備。

1.4.1 原料準備

取適量硼泥過篩后，放入烘箱中烘干，溫度設為80 ℃，烘干實驗持續24 h。分別取硼泥0份、10份、15份、20份、25份、30份，割NR為25份和取CR為75份。接下來按表2的配方進行手工稱料。

1.4.2 煉膠實驗

將原料按順序投入開煉機中，混煉25～30 min。

1.4.3 壓片實驗

將上述片剪碎放入模具中，在平板硫化機上進行壓片。溫度設為150 ℃，10 MPa壓力熱壓12 min左右，取出后自然冷卻，脫模。

1.5 測試分析

1.5.1 硬度性能測試

硬度性能測試按照國家標準GB/T531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》進行硬度試驗。

1.5.2 拉伸性能測試

拉伸性能按照國家標準GB/T528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》進行拉伸強度試驗。

1.5.3 耐油性能測試

耐油性能測試按照國家標準GB/T1690-2006《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗方法》進行耐油試驗。

1.5.4 阻燃性能測試

阻燃性能測試按照國家標準GB/T10707-2008《橡膠的燃燒性能（氧指數法）》進行氧指數試驗。

1.5.5 結構表征

先將硼泥填充高分子材料試樣分別做拉伸試驗，拉伸后的斷面在抽真空的條件下進行SEM分析。

2 結果與討論

2.1 硼泥填充CR/NR二元膠的拉伸性能

從圖1可以看出隨硼泥質量份數的增加抗拉強度也不斷增加。當硼泥質量份數達到15份時，抗拉強度達到最大值，之后再加入硼泥抗拉強度不斷降低。硼泥15份時，分散性、相容性達到最好，抗拉強度達到最大值。之后隨硼泥份數增加，分散性、相容性變差。硼泥作用作用無機粒子，在拉伸時與二元膠基體脫黏，產生空洞，進而產生應力集中，拉伸強度變低。因此，加入適量的硼泥對CR/NR二元膠有補強作用。

2.2 硼泥填充CR/NR二元膠的耐油性能

從表4中可以看出隨硼泥質量份數的增加耐油系數也不斷增加。當硼泥質量份數達到20份時，耐油系數達到最大值，耐油性能最好。硼泥為25份時硼泥耐油性能略有降低，當硼泥質量份數為30份時，由于分散性、相容性極差，耐油系數最低。耐油性能最差。因此，適量的硼泥加入對CR/NR二元膠有耐油作用。

2.3 硼泥填充CR/NR二元膠的氧指數

從圖2中可以看出隨硼泥質量份數的增加氧濃度也不斷增加。當硼泥份數達到15份時，氧濃度達到最大值，阻燃性能最好。之后隨硼泥質量份數增加，氧指數不斷降低。硼泥是多組分的無機物，氯丁橡膠是鹵素阻燃高分子。因此，適量硼泥的加入對CR/NR二元膠有一定的阻燃作用。

2.4 硼泥填充量對CR/NR二元膠硬度的影響

從圖3中可以看出隨硼泥份數的增加硬度不斷增加。因為硼泥所含的無機粒子硬度大，所以硼泥的加入能增強CR/NR二元膠的硬度。

2.5 形態結構分析

本實驗對硼泥填充CR/NR二元膠試樣的拉伸斷裂面進行了掃描電鏡分析實驗。實驗結果見圖4、圖5所示。

圖4、圖5為硼泥填充CR/NR二元膠試樣拉伸后斷面的SEM圖像，從圖中可以清楚地看到，存在海島結構，橡膠為連續相，硼泥為分散相，在橡膠表面中有不穩定的顆粒存在。在拉伸時，硼泥與基體脫黏，30份硼泥填料比20份硼泥填料與CR/NR基體的相容性稍差。

3 結論

（1）硼泥具有填充CR/NR二元膠的可行性，而且配方和加工工藝簡單。

（2）硼泥填充CR/NR二元膠具有一定的補強作用，當硼泥為15份時，抗拉強度達到最大值。

（3）硼泥做填充料使CR/NR二元膠有較好的耐油性能，當硼泥為20份時，耐油性能最好。

（4）硼泥做填充料使CR/NR二元膠有較低的可燃性，可以做更好的阻燃材料。當硼泥為15份時，氧濃度達到最大值，阻燃性能最好。

（5）硼泥做填充料使CR/NR二元膠具有較好的硬度，隨著硼泥份數的增加，邵氏硬度也不斷增大。

（6）硼泥作為高分子材料的新型填料，可以替代部分炭黑等傳統填料。

參考文獻

[1] 朱廣發.遼寧硼泥資源綜合利用的探討與對策[J].節能，1998（3）：44-46.

[2] 化工產品實用手冊（一）[M].上海交通大學出版社，1988.

[3] 羅玉萍，王立久.硼泥耐火材料的研究[J].耐火材料，1994，28（6）：331-335.