增強氫化丁腈橡膠的性能研究*

張培亭，高洪強，肖建斌

(青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室,山東 青島 266042)

氫化丁腈橡膠(HNBR)是由丁腈橡膠經催化加氫而制得的新型彈性體[1]，加氫反應使得HNBR大分子主鏈上的不飽和雙鍵數量大幅減少，從而賦予聚合物優異的耐熱性、耐候性和耐臭氧性能；保留的腈基使HNBR具有與丁腈橡膠同樣優異的耐化學穩定性，同時殘留的少量不飽和雙鍵提供了硫化交聯點[2]。碳納米管作為一種典型的一維納米材料，具有極大的長徑比、極高的彈性模量和彎曲強度，具有耐高溫、耐化學腐蝕以及優良的電導率和熱導率，是制備納米復合材料的理想增強體，受到了廣泛的關注[3-5]。不飽和羧酸金屬鹽最初用做過氧化物硫化膠的交聯助劑，不僅能提高硫化膠的交聯效率，而且能提高其交聯密度[6]。它也可以用來增強橡膠，并且能賦予硫化膠一些特殊的性能[7]。

本文研究了碳納米管和甲基丙烯酸鋅分別增強HNBR的硫化特性、力學性能，并對比了它們的硫化特性、力學性能、老化性能、高溫拉伸性能、耐磨性能和加工性能。

1 實驗部分

1.1 原料

HNBR：牌號35256，上海贊南科技有限公司；炭黑：N774，上海卡博特化工有限公司；碳納米管：GT-01，山東大展納米材料有限公司；甲基丙烯酸鋅：如東縣申玉化工有限公司；過氧化二異丙苯(DCP)：廣州金昌盛科技有限公司；其它原料均為工業級市售品。

1.2 儀器設備

X(S)K-160型開煉機：上海雙翼橡塑機械股份有限公司；MDR-2000型無轉子硫化儀：美國ALPHA公司；HS100T-FTMO-90型硫化機：佳鑫電子設備科技(深圳)有限公司；HD-10型厚度計：上海化工機械四廠；XY-1型橡膠硬度計：上海化工機械四廠；AI-7000-M型電子拉力機：臺灣高鐵科技股份有限公司；AI-7000-S型高低溫伺服控制拉力機：臺灣高鐵科技股份有限公司；GT-7042-RE型橡膠回彈性試驗機：臺灣高鐵科技股份有限公司；GT-7017-E型熱空氣老化試驗箱：臺灣高鐵科技股份有限公司；GT-7012-D型DIN磨耗試驗機：臺灣高鐵科技股份有限公司；RPA2000型橡膠加工分析儀：美國ALPHA公司。

1.3 基本配方

基本配方(質量份)為：HNBR 100；ZnO 3；MgO 5；防老劑RD 1；防老劑MB 1；炭黑55；增塑劑(TP-95)10；DCP 3.5；交聯劑TAIC 2;碳納米管和甲基丙烯酸鋅各為0、3、6、9。

1.4 試樣制備

將HNBR放到開煉機上，均勻包輥后依次加入小料(ZnO、MgO、RD、MB)，炭黑，碳納米管或甲基丙烯酸鋅，TP-95，最后加入硫化劑(DCP、TAIC)。吃料完畢后調小輥距，薄通6遍下片，制得混煉膠；停放10 h后，測試硫化特性曲線。然后硫化試樣，硫化條件為175 ℃×(t90+3 min)，再進行二段硫化，條件為160 ℃×2 h，硫化試樣停放12 h后測試性能。

1.5 性能測試

硫化特性按照GB/T 16584—1996進行測試，測試溫度為175 ℃；邵爾A 硬度按照GB 531—83進行測試；拉伸強度按照GB/T 528—2009進行測試，拉伸速率為500 mm/min；撕裂強度采用直角形試樣，按照GB/T 529—2008進行測試，拉伸速率為500 mm/min；回彈性按照GB/T 1681—91進行測試；熱空氣老化性能按照GB/T 3512—2014進行測試，條件為160 ℃×24 h；高溫拉伸性能按照HG/T 3868—2208進行測試，烘箱溫度為100 ℃；DIN磨耗性能按照GB/T 9867—2008進行測試；力學法交聯密度根據橡膠理想彈性方程式(1)和式(2)進行計算。

(1)

P= 1/(2Mc)

(2)

式中：σ為拉伸模量；P為交聯密度；ρ為交聯橡膠密度；λ為伸長比；R為氣體常數；T為絕對溫度；Mc為交聯點間相對分子質量。

2 結果與討論

2.1 碳納米管對HNBR性能的影響

不同碳納米管用量的HNBR混煉膠的硫化特性參數及力學性能見表1。

利用碳納米管優異的物理機械性能，可為橡膠基質提供良好的增強性能，并提高抗疲勞性能。其獨特的優勢表現在:(1)當施加外力負荷時，碳納米管特殊的管狀石墨結構，決定其斷裂行為不像有機纖維呈完全脆性斷裂，而是沿管壁傳遞應力作用，一層斷裂后再引發另一層斷裂；(2)碳納米管在基質中形成的填充網絡，可將材料中積聚的熱迅速散失，從而降低橡膠制品的熱疲勞損失，延長其使用壽命；(3)碳納米管所具有的大長徑比(大于1 000)有利于提高橡膠的抗撕裂性和耐磨性[8]。

由表1可以看出，隨著碳納米管用量的增加，HNBR的最小扭矩(ML)急劇增加，說明混煉膠流動性變差；最大扭矩(MH)逐漸增加，說明碳納米管具有優異的補強性能。而焦燒時間(tc10)逐漸縮短，且當碳納米管用量為9份時，焦燒時間只有0.57 min，焦燒時間過短易引起膠料焦燒，不利于膠料的加工；正硫化時間(tc90)逐漸縮短，有利于提高硫化效率。

表1 碳納米管增強HNBR的硫化特性及力學性能

由表1還可以看出，隨著碳納米管用量的增加，交聯密度明顯提高，說明碳納米管與橡膠相結合形成的網絡結構起到類似交聯的作用；硬度逐漸增加；撕裂強度在碳納米管用量為3份時提高較明顯，而在碳納米管用量較多時，提高較緩慢；拉伸強度隨碳納米管用量的增加無明顯變化，拉斷伸長率、回彈性逐漸減小，說明密集的網絡結構限制了分子鏈段的運動。

2.2 甲基丙烯酸鋅對HNBR性能的影響

由于不飽和羧酸鹽補強的橡膠中存在著大量的離子交聯鍵并分散著納米粒子，這種結構特點使硫化膠具有獨特的力學性能。離子交聯鍵具有滑移特性，能最大限度地將應力松弛掉，并產生較大的變形，因此能夠賦予硫化膠高強度、高拉斷伸長率。不飽和羧酸鹽在橡膠基體中發生聚合反應，生成的聚鹽以納米粒子的形式存在于橡膠中，并有一部分不飽和羧酸鹽接枝到橡膠大分子上，從而改善了橡膠與填料粒子間的相容性[9]。

由表2可以看出，隨著甲基丙烯酸鋅用量的增加，HNBR的最小扭矩減小，說明混煉膠的流動性變好；最大扭矩增加，這是由于甲基丙烯酸鋅的增強作用。焦燒時間縮短，易引起膠料焦燒，從而對膠料的加工不利；正硫化時間縮短，表明硫化速度加快，從而提高硫化效率。

由表2還可以看出，隨著甲基丙烯酸鋅含量的增加，交聯密度明顯提高，說明甲基丙烯酸鋅形成的離子鍵網絡結構提高了橡膠的交聯程度。硬度、100%定伸應力、撕裂強度顯著提高，這是由于甲基丙烯酸鋅在橡膠基體中形成離子鍵的網絡結構，進一步提高了橡膠的交聯程度；加入甲基丙烯酸鋅，拉伸強度只是小幅度提高，這是因為拉伸強度達到了HNBR的強度極限；而拉斷伸長率、回彈性逐漸減小，說明分子鏈的運動能力下降。

表2 甲基丙烯酸鋅增強HNBR的硫化特性及力學性能

2.3 碳納米管與甲基丙烯酸鋅增強效果的對比

當碳納米管和甲基丙烯酸鋅用量均為6份時，HNBR的綜合性能較好，因此選取碳納米管和甲基丙烯酸鋅用量為6份的橡膠進行性能對比。

2.3.1 硫化特性

由圖1及表2可以看出，碳納米管增強橡膠的最小扭矩較大，說明其混煉膠流動性不好。與碳納米管相比，甲基丙烯酸鋅增強膠料的扭矩較小，這表明在硫化過程中聚合形成的聚甲基丙烯酸鋅粒子具有一定的柔軟性，交聯過程中離子簇解離[10]。碳納米管增強橡膠的焦燒時間和正硫化時間較短，說明碳納米管具有一定促進硫化的作用。

t/min圖1硫化特性曲線

2.3.2 綜合性能

由表3可知，碳納米管增加橡膠的硬度和提高交聯密度的效果較明顯，甲基丙烯酸鋅使橡膠的拉斷伸長率和回彈性較大，這是因為在硫化過程中，聚合生成的聚甲基丙烯酸鋅粒子內部形成離子簇結構，在高應力作用下可滑動，使粒子沿力場方向變形，大分子沿外力取向程度高，因此，甲基丙烯酸鋅增強HNBR硫化膠表現出較大的拉斷伸長率和回彈性。

表3 碳納米管與甲基丙烯酸鋅增強HNBR的綜合性能

由于膠料中填充了較多的炭黑，HNBR的拉伸強度達到了極限，所以加入碳納米管和甲基丙烯酸鋅后，拉伸強度無顯著變化，撕裂強度都提高，且兩者的撕裂強度幾乎相等。

與老化前相比，老化后碳納米管和甲基丙烯酸鋅增強橡膠的拉伸強度無明顯變化，硬度、100%定伸應力增大，拉斷伸長率降低，說明分子鏈又進行了交聯，交聯密度增大，橡膠變硬。與甲基丙烯酸鋅相比，碳納米管增強橡膠的硬度、拉伸強度、拉斷伸長率和100%定伸應力的變化率都較小，說明碳納米管與橡膠形成的網絡結構更穩定，碳納米管能提高橡膠的耐老化性能。

在高溫條件下，碳納米管和甲基丙烯酸鋅增強橡膠的拉伸強度、拉斷伸長率和100%定伸應力都大幅下降。兩者相比，碳納米管增強橡膠的拉伸強度變化率較小，原因是碳納米管力學性能優異，耐高溫性能良好；此外，碳納米管導熱性良好，可以將積聚的熱量迅速散失，降低橡膠基體的熱疲勞損失。而甲基丙烯酸鋅增強橡膠的拉斷伸長率變化率較小，這是由于聚甲基丙烯酸鋅離子簇具有滑移特性。

橡膠的磨耗過程包含著兩種不同機理之間的競爭：一是在撕裂過程中產生的橡膠微粒掉落；二是由機械應力誘發并受空氣中氧促進的表面區域的橡膠化學降解。當撕裂過程占優勢時，橡膠表面會有幾微米大小不規則的碎屑掉落；當機械化學降解在磨耗中占主導地位時，橡膠表面上會形成一層黏性的油狀磨屑層[11]。與甲基丙烯酸鋅相比，碳納米管增強橡膠的耐磨性能較好，這與碳納米管極大的長徑比有關；磨耗時兩者表面都產生碎屑，說明磨耗都是以撕裂過程為主。

2.3.3 加工性能

許多動態力學流變儀可以在較寬的頻率和溫度范圍內測定聚合物的黏彈性，但它們的缺點是應變振幅小，而實際生產過程中橡膠要經受很大的應變，這時的實驗結果往往不能反映實際加工過程中的性能，而橡膠加工分析儀則可以滿足這一要求[12]。由于在大應變振幅的作用下，膠料內部會產生某種永久性的變化，主要是增強填料集聚體網絡和增強填料與橡膠分子界面黏附的破壞，所以采用應變掃描可以得到非線性黏彈性方面的流變學信息[13]。

圖2為碳納米管和甲基丙烯酸鋅增強橡膠的儲能模量(G′)和損耗因子(tanδ)的應變掃描曲線。掃描條件：溫度為100 ℃，掃描頻率為1 Hz。

應變/%(a)

應變/%(b)圖2 頻率掃描曲線

由圖2(a)可以看出，隨著應變增大，碳納米管和甲基丙烯酸鋅集聚體網絡的破壞及其與橡膠界面黏附的破壞導致儲能模量降低。碳納米管增強橡膠的儲能模量比甲基丙烯酸鋅大，原因是碳納米管與橡膠形成的網絡結構更穩定；碳納米管增強橡膠的Payne效應顯著，這是由于網絡結構及碳納米管團聚體的破壞較嚴重。

由圖2(b)可以看出，當應變很小時，隨著應變的增加，損耗因子逐漸減小；在應變為1%左右時，損耗因子又隨著應變的增大而增大，原因是分子鏈段活動能力變強，分子內摩擦作用變強。而碳納米管增強橡膠的損耗因子較小，說明碳納米管與橡膠形成的網絡結構使分子鏈段活動能力下降，橡膠分子鏈段之間及其與填料之間的摩擦作用較弱。

3 結 論

(1) 隨著碳納米管和甲基丙烯酸鋅用量的增加，橡膠的扭矩增大，硫化時間縮短，拉伸強度基本不變，硬度、100%定伸應力、撕裂強度逐漸提高，拉斷伸長率、回彈性減小。

(2) 與甲基丙烯酸鋅增強的橡膠相比，碳納米管增強橡膠的扭矩較大，硫化時間較短，其綜合力學性能、老化性能、高溫拉伸性能和耐磨性能較好。

(3)由橡膠加工分析儀可知，碳納米管增強橡膠的儲能模量較大，損耗因子較小。

參 考 文 獻：

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