玄武巖纖維對NR/SBR并用膠性能的影響

馬 駒，秦 穎，董 月，陳春花，辛振祥

（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）

玄武巖纖維是采用單組分礦物原料熔體制備而成，在耐高溫、化學穩定性、耐腐蝕性、導熱性、絕緣性和耐摩擦性等方面優于玻璃纖維等纖維材料[1-4]，在部分性能方面還可替代嚴重短缺且昂貴的碳纖維材料，且不產生與石棉相關的環境問題。玄武巖纖維原料成本低、能耗少、生產過程清潔，是一種生態環境材料，深受各國學者的關注[5]。玄武巖纖維可廣泛應用于工業、農業、建筑業、航空、造紙、化工、醫療、交通和軍事等方面。

在橡膠配合中，填料的用量與炭黑同樣大，為實現玄武巖纖維在橡膠補強中的大量應用，本工作研究玄武巖纖維用量對天然橡膠（NR）/丁苯橡膠（SBR）并用膠性能的影響[6]。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，SCR10，西雙版納固可力有限公司產品；SBR，上海谷島實業有限公司產品；炭黑N550和N330，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；玄武巖纖維，上海坦莎復合材料有限公司產品。

1.2 試驗配方

試驗配方：NR 60，SBR 40，炭黑N330 30，炭黑N550 20，碳酸鈣 40，改性高嶺土D50 20，填充劑和硫化劑 4，防焦劑CTP 0.5，促進劑 3，松焦油 1，其他 9，玄武巖纖維 變量。

1.3 主要設備與儀器

X（S）K-160型開煉機，上海雙翼橡塑機械有限公司產品；XSM-1/20～80型密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；HS 1007-RTMO型自動硫化機，佳鑫電子設備科技有限公司產品；GT-M2000-A型硫化儀、AI-7000S型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；RPA2000型橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；橡膠硬度計，上海險峰電影機械廠產品；JSM-7500F型掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子公司產品；EKT-2000GF型壓縮生熱試驗機，中國臺灣曄中科技股份有限公司產品。

1.4 試樣制備

將NR和SBR加入密煉機中，加入硬脂酸、氧化鋅、防老劑等固體小料混煉約1 min，再加入炭黑和玄武巖纖維（分3次，每次約1 min，松焦油與最后一份填料一起添加）混煉7 min左右，進料溫度為70 ℃，控制排料溫度約為115 ℃。在開煉機上加入硫化助劑和硫化劑，混合均勻后，打三角包5次，打卷3次，下片。停放24 h后用硫化儀測試硫化特性。在平板硫化機上硫化試樣，硫化條件為151 ℃/10 MPa×30 min。硫化試樣停放24 h后進行性能檢測。

1.5 性能測試

硫化特性按GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉子硫化儀測定硫化特性》測試，硫化溫度為151 ℃；硬度按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》測試，溫度為室溫；拉伸強度、100%定伸應力和拉斷伸長率按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》測試，拉伸速率為500 mm·min-1，室溫測試；撕裂強度按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》測試，拉伸速率為500 mm·min-1，采用直角形試樣，室溫測試；加工性能測試的掃描溫度為60 ℃，頻率為1 Hz；壓縮疲勞溫升按照GB 1687/T—1993《硫化橡膠在屈撓試驗中溫升和耐疲勞性能的測定 第2部分：壓縮屈撓試驗》測試；壓縮永久變形按照GB/T 7759—1996《硫化橡膠、熱塑性橡膠 常溫、高溫和低溫下壓縮永久變形測定》測試。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠硫化特性的影響見表1。

表1 玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠硫化特性的影響

由表1可以看出：隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的焦燒時間呈縮短趨勢，這主要是由于玄武巖纖維中的無機物能夠起到活化促進劑的作用，加快焦燒，使加工安全性降低；正硫化時間隨玄武巖纖維用量的增大也逐漸縮短，分析認為玄武巖纖維的添加和分散影響了硫化反應的過程；隨著玄武巖纖維用量的增大，并用膠的硫化速率先增大后減小，當玄武巖纖維用量為10份左右時最大。

2.2 門尼粘度

玄武巖纖維用量分別為0，5，10，15和20份時，NR/SBR并用膠的門尼粘度[ML（1+4）100 ℃]分別為35.8，39.6，39.5，35.2和34.6。

橡膠的門尼粘度與其塑性密切相關。粘度大表明橡膠相對分子質量大，塑性差；反之則說明橡膠相對分子質量小，塑性好。加入5～10份玄武巖纖維時并用膠門尼粘度升高，可以認為是加入量少分散不均勻，使塑性差、加工性能不好；加入量為15～20份時并用膠門尼粘度下降，加工性能 變好。

2.3 物理性能

玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠物理性能的影響見表2。

表2 玄武巖纖維用量對NR/SBR并用膠物理性能的影響

由表2可以看出：當玄武巖纖維用量小于10份時，并用膠的拉伸強度和拉斷伸長率稍有下降，撕裂強度基本保持不變；進一步增大玄武巖纖維的用量，并用膠的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度顯著下降，而邵爾A型硬度則不斷增大；當玄武巖纖維用量小于10份時，壓縮永久變形和壓縮生熱變形變化較小，大于10份時變化較大，而壓縮疲勞生熱隨玄武巖纖維用量的增大持續升高。

2.4 SEM分析

并用膠的掃描電鏡斷面形態如圖1所示，白色片層為陶土等其他無機填料。由圖1可以看出：未添加玄武巖纖維時炭黑和其他無機填料在并用膠中具有良好的分散性，粒徑小、分布窄；添加玄武巖纖維后斷層面的孔洞和凸起增多，在結合處可以看到有部分橡膠包覆在玄武巖纖維上；隨著玄武巖纖維用量的增大，取向變得明顯，但是還有相當一部分玄武巖纖維未與橡膠和其他填料結合，說明其相容性變差，玄武巖纖維出現團聚現象，降低了其在橡膠中的分散，導致了補強作用的下降。

圖1 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠SEM照片

2.5 RPA應變掃描分析

不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠剪切儲能模量（G′）-應變（ε）關系曲線如圖2所示。由圖2可以看出：隨著ε的增大，G′逐漸降低；隨著玄武巖纖維用量的增大，并用膠的G′增大，膠料的粘度增大，Payne效應增強，加工性能下降。

圖2 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠G′-lgε曲線

不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠損耗模量（G″）-ε關系曲線如圖3所示。由圖3可以看出：隨著ε的增大，G″呈現非線性減小的趨勢，表明填料網絡破壞程度增大且破壞速度大于重建速度；隨著玄武巖纖維用量的增大，G″減小程度增大，這是由于并用膠的網絡化程度增大使其能量損耗增大。

圖3 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠G″-lgε曲線

不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠損耗因子（tanδ）-ε關系曲線如圖4所示。由圖4可以看出：當ε較小時并用膠的tanδ基本保持不變，隨ε增大，tanδ明顯增大；隨著玄武巖纖維用量增大，tanδ增大，這是因為填料網絡的微觀結構遭到破壞并與分子鏈之間的相對滑移引起的能量損耗有關。

圖4 不同玄武巖纖維用量的NR/SBR并用膠的tanδ-lgε曲線

3 結論

（1）隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的焦燒時間和正硫化時間縮短，硫化速率先增大后減小。

（2）隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度下降，邵爾A型硬度、壓縮永久變形和壓縮疲勞生熱增大；玄武巖纖維用量小于10份時各性能變化不大，用量為10份左右時纖維分散性較好。

（3）隨著玄武巖纖維用量的增大，NR/SBR并用膠的Payne效應增強，膠料的加工性能變差。