納米凹凸棒土在丁腈橡膠中的應用研究

王國志，劉曉蕾，姚 亮，侯亞合，張雪松

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140）

凹凸棒土（AT）是一種多孔、層狀的水合鎂鋁硅酸鹽，其比表面積大，吸附作用較強，在低濃度下可以形成高粘度的懸浮液[1-2]。AT儲量豐富、價格低廉、用途廣泛。隨著納米技術的快速發展，AT原礦粒徑可以處理到納米級。當AT粒徑達到納米級時，其理化性能大幅提升。但納米粉體比表面積大，容易團聚，要達到良好的分散性，必須對其表面改性。AT以納米級單晶形式分散到聚合物中能提高聚合物的綜合性能。

丁腈橡膠（NBR）的耐油性能和耐熱老化性能優異[3]，其大量用于耐油制品中，但填料對NBR制品的性能和成本影響較大。AT經過改性后可離解成納米纖維狀而較好地分散在NBR膠料中，制備高性能的NBR納米復合材料[4]。

本工作對添加不同牌號和不同用量納米AT的NBR膠料性能進行研究，并與白炭黑膠料進行對比。

1 實驗

1.1 主要原材料

NBR，中國石油蘭州石化公司產品；氧化鋅和鈦白粉，河南省固始縣鵬鑫鋅化有限公司產品；硬脂酸和促進劑DM，中國石化南京化學工業有限公司產品；氧化鎂和防老劑D，連云港銳巴化工有限公司產品；硫黃，浙江黃巖浙東橡膠助劑有限公司產品；白炭黑和聚乙二醇，濮陽市光璞石化有限責任公司產品；AT，牌號R61，R51和R11，玖川納米材料科技有限公司產品。

1.2 主要儀器和設備

XK-160型開煉機和QLB-50D/Q型平板硫化機，無錫市第一橡塑機械有限公司產品；GTM2000-A型無轉子硫化儀和XS365M型電子直讀天平，高鐵檢測儀器有限公司產品；LX-A型邵氏橡膠硬度計和DL-2500N型電子式拉力試驗機，江都市新真威試驗機械有限責任公司產品；CP-25型沖片機和WML-76型阿克隆磨耗試驗機，江都市試驗機械廠產品；401-B型老化試驗箱，上海實驗儀器廠有限公司產品。

1.3 配方

1.3.1 AT或白炭黑膠料

NBR 100，AT或白炭黑 變量，鈦白粉 15，氧化鋅 5，硬脂酸 3，氧化鎂 10，防老劑D 1，聚乙二醇 4，硫黃 3.5，促進劑DM 2。

1.3.2 AT/白炭黑并用膠料

NBR 100，AT/白炭黑 40，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑4010NA 2，石蠟油 10，偶聯劑Si69 1，聚乙二醇 4，硫黃 1.5，促進劑DM 1.5，促進劑TMTD 0.75。

1.4 試樣制備

1.4.1 AT制備

AT原礦漿（粘度為1 000 mPa·s，水分質量分數為0.20～0.25）→破碎（固體片層厚度為0.8～1.5 mm，水分質量分數為0.37～0.45）→打漿（固體質量分數為0.05～0.07）→過篩→提純（純度不小于0.9）→壓濾（水分質量分數為0.48～0.54）→用偶聯劑KH550和硬脂酸等改性→烘干（水分質量分數不超過0.005）→磨粉（粒徑40～80 nm）→包裝。

1.4.2 膠料混煉

膠料混煉在開煉機上進行。混煉工藝為：塑煉膠→氧化鋅、硬脂酸和填料等→促進劑和硫黃（50～70 ℃）→左右3/4割刀各3次→薄通，打三角包6次→下片。

1.5 性能測試

膠料各項性能測試均按照相應國家標準進行。

2 結果與討論

2.1 AT的理化性能

AT的理化性能見表1。從表1可以看出：AT的主要成分為二氧化硅、氧化鋁和氧化鎂；由于處理工藝不同，3種牌號AT各組分質量分數有所差異；3種牌號AT粒徑都在60 nm以內。

表1 AT的理化性能

2.2 AT對NBR膠料性能的影響

AT對NBR膠料性能的影響見表2。從表2可以看出：對同一牌號的AT而言，隨著AT用量增大，NBR膠料的密度增大，硬度、定伸應力、拉伸強度、撕裂強度和耐熱老化性能提高，但耐磨性能降低；3個牌號的AT膠料相比，AT R61膠料的耐磨性能較好，AT R11膠料的綜合物理性能較好。

從表2還可以看出，與添加相同用量的白炭黑膠料相比，添加AT的膠料性能總體較差。但白炭黑成本遠高于AT，AT可與白炭黑并用。

表2 AT對NBR膠料性能的影響

2.3 AT/白炭黑并用比對NBR膠料性能的影響

選用膠料性能居中的AT R51與白炭黑并用，并添加偶聯劑Si69，進行AT R51/白炭黑并用比對NBR膠料性能影響的試驗，結果見表3。從表3可以看出，與白炭黑用量為40份的A5配方膠料相比，添加AT R51的A1～A4配方膠料FL、Fmax、300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度較低，其中AT R51/白炭黑并用比為10/30的A4配方膠料物理性能較好，與A5配方膠料物理性能接近。

表3 AT R51/白炭黑并用比對NBR膠料性能的影響

2.4 經濟效益

對年消耗100 t白炭黑的企業而言，如果以AT替代25%的白炭黑，每年可節約成本12.5萬～75萬元（白炭黑價格按照每噸0.5萬～3萬元計，AT價格按照每噸0.1萬元計）。可見AT與白炭黑并用能夠大幅降低成本，經濟效益良好。

3 結論

（1）隨著AT用量增大，NBR膠料的物理性能提高，耐磨性能降低。

（2）采用AT R61的NBR膠料耐磨性能較好，采用AT R11的NBR膠料綜合物理性能較好。

（3）與添加相同用量白炭黑的NBR膠料相比，添加AT的NBR膠料性能總體較差。

（4）AT R51/白炭黑并用比為10/30的NBR膠料物理性能較好，與白炭黑用量為40份的NBR膠料物理性能接近。

（5）AT來源廣泛，價格低廉，與白炭黑并用，可以提高膠料性價比，經濟效益良好。