凹凸棒土在天然橡膠/三元乙丙橡膠中的應用研究

王國志，劉曉蕾，宋帥帥，侯亞合，翁國文，鄭貝

(徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140)

凹凸棒土在天然橡膠/三元乙丙橡膠中的應用研究

Application of attapulgite in natural rubber/EPDM

王國志，劉曉蕾，宋帥帥，侯亞合，翁國文，鄭貝

(徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140)

采用不同類型的改性后的新型凹凸棒土與天然橡膠/三元乙丙橡膠混合，制備出性能優異的AT/NR/EPDM納米復合材料，并對其力學性能進行測試。研究結果表明，凹凸棒土R61型號的各方面的性能優于R51，R11型號的凹凸棒土，并且當凹凸棒土用量為40份時，AT/NR/EPDM復合材料綜合性能最好，其定伸應力、撕裂強度、硬度分別達到1.07 MPa，15.55 MPa和51邵氏A，其配方為：NR:EPDM=1:1,氧化鋅4份，硬脂酸2份，古馬隆2份，促進劑1.4份，防老劑3份，硫磺2份，石蠟油10份，聚乙二醇4份，凹凸棒土（R61）40份。

凹凸棒土；天然橡膠；三元乙丙橡膠

凹凸棒土，簡稱凹凸土（attapulgite,AT），又名 坡 縷 石（palygorskite）， 其 化 學 分 子 式 為：Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4.4H2O。AT是一種層鏈狀過渡結構的以含水富鎂硅酸鹽為主的黏土，國內于1979年首次發現凹凸棒土[1]。AT最小結構單元是直徑20~40 nm，長度500~5 000 nm的納米單晶，單晶平行排列形成晶束，晶束又相互聚集形成各種聚集體[2]。因此，從結構尺寸上來看，AT是高分子材料的理想補強劑。此外，相對于炭黑、白炭黑這些傳統填料，AT儲量豐富，價格低廉，可較好的解決未來因納米技術改造傳統復合材料所出現的人工納米單元材料批量小、成本高等問題。因此利用AT的一維納米棒晶對AT進行高附加值開發無論從理論上還是實際應用都具有重要的意義[6~7]。

乙丙橡膠有優異的耐水蒸汽性能并優于其耐熱性。在230 ℃過熱蒸汽中，近100 h后外觀無變化[3]。乙丙橡膠耐過熱水性能亦較好，但與所用硫化系統密切相關。以二硫代二嗎啡啉、TMTD為硫化系統的乙丙橡膠，在125 ℃過熱水中浸泡15個月后，力學性能變化甚小，體積膨脹率僅0.3%[4]。乙丙橡膠具有優異的電絕緣性能和耐電暈性，電性能優于或接近丁苯橡膠、氯磺化聚乙烯、聚乙烯和交聯聚乙烯。由于乙丙橡膠分子結構中無極性取代基，分子內聚能低，分子鏈可在較寬范圍內保持柔順性，僅次于天然橡膠和順丁橡膠，并在低溫下仍能保持。乙丙橡膠由于分子結構中缺少活性基團，內聚能低，加上膠料易于噴霜，自黏性和互黏性很差[5]。

天然橡膠具有優異的綜合物理機械性能,在常溫下具有很好的彈性。其密度為0.913 g/cm，彈性模量為2~4 MPa，而伸長率最大可達1 000%。在0~100 ℃范圍內，天然橡膠的回彈性可達到50%~85%以上。天然橡膠常溫為高彈性體，玻璃化溫度為-72 ℃，受熱后緩慢軟化，在130~140 ℃開始流動，200 ℃左右開始分解，270 ℃劇烈分解。天然橡膠不耐環己烷、汽油、苯等介質，不溶于極性的丙酮、乙醇等，不溶于水，耐10%的氫氟酸、20%鹽酸、30%硫酸、50%的氫氧化鈉等。不耐濃強酸和氧化性強的高錳酸鉀、重酸鉀等[8~9]。天然橡膠由于相對分子質量高、相當分子質量分布寬，分子鏈易于斷裂，再加上生膠中存在一定數量的凝膠分子，因此很容易進行塑煉、混煉、壓延、壓出、成型等[10]。

因此，本文主要研究不同型號及不同份數凹凸棒土填充NR/EPDM的力學性能。

1 實驗

1.1 實驗原材料

三元乙丙橡膠，天然橡膠（吉林石化）；凹凸棒土（R51，R61，R11)，玖川納米材料科技有限公司。

1.2 膠料的制備

將雙輥開放式煉膠機啟動，開啟冷卻水，將輥距調小，投放生膠，進行破膠形成連續的包輥膠后，按基本配方依次加入氧化鋅、硬脂酸、促進劑NOBS、防老劑4010NA、防老劑D、古馬隆、凹凸棒土、石蠟油、聚乙二醇，最后加入促進劑TT和硫磺后混煉，混煉溫度控制在50~70 ℃。混煉過程中采用小輥距薄通法，經多次反復搗膠壓煉使膠料與各種配合劑、填料以及硫磺充分混合。

1.3 工藝流程

本次試驗主要工藝流程圖如圖1。

圖1 工藝流程圖

1.4 工藝要求

1.4.1 煉膠

在煉膠機上將各種配合劑均勻的加入具有一定塑性的生膠中。在混煉過程中要保證配合劑均勻分散，否則會對橡膠的一些性能造成影響。輥距為（1.7±0.2）mm，前輥溫55 ℃，后輥60 ℃；薄通3~5次；下片厚為（3.0±0.2）mm。

1.4.2 硫化

通過無轉子硫化儀GT-M2000A 測出最佳硫化時間，然后將膠料停放24 h后放入平板硫化機QLB-100中，在153 ℃、10~15 MPa下硫化，使橡膠制品的宏觀特征、微觀結構都發生變化，從而獲得制品要求的物理機械性能和相應的使用性能的試片[11]。

2 結果與討論

2.1 物理機械性能

2.1.1 老化前物理機械性能

從表1中可以看出，拉伸強度最大的是R61-20AT，為4.40 MPa；定伸應力最大的是R61-30AT，為0.99 MPa；撕裂強度最大的是R61-20AT和R61-40AT，為15.55 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R61-20AT，為577%；硬度最大的是R61-40AT，為51邵氏A。

表1 R61型號的AT/NR/EPDM的物理機械性能數據

從表2中可以看出，拉伸強度最大的是R51-30AT，為4.80 MPa；定伸應力最大的是R51-40AT，為0.91 MPa；撕裂強度最大的是R51-40AT，為15.43 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R51-30AT，為781%；硬度最大的是R51-40AT，為46邵氏A。

表2 R51型號的AT/NR/EPDM的物理機械性能數據

從表3中可以看出，拉伸強度最大的是R11-30AT，為4.25 MPa；定伸應力最大的是R11-40AT，為0.90 MPa；撕裂強度最大的是R11-40AT，為16.11 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R11-40AT，為646%；硬度最大的是R11-40AT，為48邵氏A。

表3 R11型號的AT/NR/EPDM的物理機械性能數據

2.1.2 老化后物理機械性能

從表4中可以看出，拉伸強度最大的是R61-20AT，為4.55 MPa；定伸應力最大的是R61-40AT，為1.21 MPa；撕裂強度最大的是R61-40AT，為17.58 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R61-20AT，為504%；硬度最大的是R61-40AT，為51邵氏A。

表4 R61型號的AT/NR/EPDM的物理機械性能數據

從表5中可以看出，拉伸強度最大的是R51-40AT，為4.50 MPa；定伸應力最大的是R51-40AT，為0.84 MPa；撕裂強度最大的是R51-40AT，為16.13 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R51-20AT，為720%；硬度最大的是R51-40AT，為50邵氏A。

表5 R51型號的AT/NR/EPDM的物理機械性能數據

從表6中可以看出，拉伸強度最大的是R11-40AT，為4.46 MPa；定伸應力最大的是R11-40AT，為1.02 MPa；撕裂強度最大的是R11-40AT，為17.22 kN/m；100%扯斷伸長率最大的是R11-40AT，為567%；硬度最大的是R11-40AT，為52邵氏A。

表6 R11型號的AT/NR/EPDM的物理機械性能數據

3 實驗結論

（1）本次試驗中，老化前拉伸強度在R51-30AT處最優，為4.80 MPa，R61的膠料綜合性能最好。

（2）本次試驗中，老化前定伸應力在R61-40AT處最優，為1.07 MPa，R61的膠料綜合性能最好；老化后為1.21 MPa，R61的膠料綜合性能最好；老化后的最大定伸應力大于老化前的最大定伸應力。

（3）本次試驗中，老化前撕裂強度在R11-40AT處最好，為16.11 kN/m，R11的膠料綜合性能最好；老化后撕裂強度在R61-40AT處最好，為17.58 kN/m。

（4）本次試驗中，老化前100%扯斷伸長率在R51-30AT處最佳，為781%，R51的膠料綜合性能最好；老化后100%扯斷伸長率在R51-20AT處最優，為720%，R51的膠料綜合性能最好。

（5）本次試驗中，老化前硬度在R61-40AT處最優，為51邵氏A，R61的膠料綜合性能最好；老化后硬度在R61-40AT處最優，為54邵氏A，R61的膠料性能最好。

（6）綜合性能最好的配方為R61-40AT，配方為：三元乙丙橡膠/天然橡膠：50/50；氧化鋅4，硬脂酸2，促進劑NOBS1，促進劑TT0.4，古馬隆2，防老劑4010NA1.8，防老劑D2，石蠟油10，凹凸棒土（R61）40。

[1] 梁文利，田明.凹凸棒土增強橡膠復合材料的制備及其結構與性能研究[J].北京化工大學學報,1999,26(3).

[2] 彭書傳，范文元.改性凹凸棒粘土作為橡膠補強劑的研究.合肥工業大學學報,1996,19(3).

[3] 聶恒凱.橡膠材料與配方[T]； 2版，北京，化學工業出版社,2009,6.

[4] 曲成東，田 明，馮予星，等.凹凸棒土/聚合物復合材料研究進展.合成橡膠工業,2003,26(1)．

[5] 張玉龍，孫敏．橡膠品種與性能手冊[M]．北京：化學工業出版社，2006,46~55.

[6] 馬玉衡,方為民,馬小潔.凹凸棒土的研究與應用進展[J].2004,37,25.

[7] 謝遂志，等，橡膠工業手冊（第一，二分冊）.北京：化學工業出版社，1989.

[8] 聶恒凱.橡膠材料與配方[M].北京：化學工業出版社,2009,16~17.

[9] 翁國文.實用橡膠配方技術[M].北京：化學工業出版社，2008,41.

[10] 翁國文．配合與塑混煉操作技術[M]．徐州：中國礦業大學出版社，2008,28~32.

[11] 聶恒凱，徐志和，韋幫風.橡膠通用工藝[M].北京：化學工業出版社，2009,51.

（R-02）

TQ332 TQ333.4 TQ110.4

1009-797X(2016)07-0053-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.015

王國志（1979-），男，碩士，主要研究方向為橡膠加工與應用。

2015-06-02