白炭黑分散劑H60EF在白炭黑補強丁腈橡膠中的應用

郭 虎，楊振林，布乃豪，鄒盛海，李云峰

（山東陽谷華泰化工股份有限公司 國家橡膠助劑工程技術研究中心，山東 陽谷 252300）

丁腈橡膠（NBR）是由丁二烯和丙烯腈單體經乳液聚合得到的共聚物。丙烯腈質量分數較大的NBR有助于提高硫化膠的強度和耐磨性能，但會使彈性下降。由于含有丙烯腈極性基團，因此NBR對非極性或弱極性的礦物油、動植物油、液體燃料和溶劑等化學物質具有良好的抗耐性。NBR的耐熱性能較好，可在120 ℃熱空氣中長期使用，耐熱氧老化和日光老化性能優異，氣密性僅次于丁基橡膠，廣泛應用于制備燃料膠管，耐油膠管，油封、動態和靜態用密封件，橡膠隔膜，印刷膠輥，膠板，橡膠制動片，膠粘劑，膠帶等各種橡膠制品中，成為橡膠制品重要的膠種[1-4]。

白炭黑即水合無定形二氧化硅，是一種大比表面積、高結構度、高活性的補強填料，具有特殊的表面結構、顆粒形態及物理和化學性質，其應用十分廣泛。白炭黑與炭黑不同，屬于非石油系產品，原料來源廣泛、環保可再生，且在橡膠補強填料中白炭黑的用量僅次于炭黑。然而，白炭黑與橡膠的相容性較差，極性較強，其粒子表面的硅羥基相互作用形成氫鍵，二次團聚和結構化傾向嚴重，加工性能遠不如炭黑。

為使白炭黑在橡膠中良好分散，一般添加硅烷偶聯劑，且效果較顯著，但白炭黑中的一些活性基團會減弱硅烷偶聯劑的作用，從而影響膠料的性能。為進一步改善白炭黑膠料的加工性能，需配合使用特定的白炭黑分散劑，因此開發高品質白炭黑分散劑及改善白炭黑應用性能的研究工作對于橡膠工業具有十分重要的意義[5-7]。

我公司生產的白炭黑分散劑H60EF是以脂肪酸鋅皂為主的脂肪酸鹽衍生物混合物，作為白炭黑分散劑，尤其適用于含有高活性白炭黑的膠料。白炭黑分散劑H60EF的主要作用是降低膠料門尼粘度、改善膠料流動性，且在膠料停放過程中可以減輕白炭黑的結構化，從而有效保持膠料的門尼粘度穩定，改善后續加工。

本工作研究白炭黑分散劑H60EF在白炭黑補強NBR中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

NBR，牌號1052，鎮江南帝化工有限公司產品；白炭黑175GR，濰坊海化股份有限公司產品；白炭黑分散劑H60EF，山東陽谷華泰化工股份有限公司產品。

1.2 配方

生產配方：NBR 100，白炭黑175GR 50，氧化鋅 5，硬脂酸 1，偶聯劑TESPT 5，防老劑4020 1.5，防老劑RD 1，軟化劑 7，硫黃3.5，促進劑 1.2。

試驗配方：除添加3份白炭黑分散劑H60EF外，其他同生產配方。

1.3 主要設備和儀器

X（S）M-1/10-120型密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；XK-160型開煉機，大連誠信橡塑機械有限公司產品；HS-100T-RTMO型平板硫化機，佳鑫電子設備科技（深圳）有限公司產品；MDR2000型無轉子硫化儀和MV2000型門尼粘度試驗機，美國阿爾法科技有限公司產品；3365型萬能電子拉力試驗機，美國英斯特朗公司產品；FT-1260型壓縮生熱試驗機，日本上島制作所產品；GT-7017-M型熱老化試驗機、GT-7011-DG屈撓試驗機和GT-7012-AH1型高溫AKRON耐磨試驗機，高鐵檢測儀器有限公司產品；VHX-7000型數碼顯微系統，日本基恩士公司產品；D-RPA3000型橡膠加工分析（RPA）儀，德國Montech公司產品。

1.4 混煉工藝

膠料混煉分兩段進行。一段混煉在密煉機中進行，密煉室初始溫度為80 ℃，轉子轉速為40 r·min-1，混煉工藝為：生膠、壓壓砣（60 s）→提壓砣、加1/2白炭黑、防老劑等小料（10 s）→混煉（60 s）→提壓砣、加剩余1/2白炭黑→混煉（60 s），中位清掃（10 s）、壓壓砣混煉（50 s）→排膠（145 ℃）。二段混煉在開煉機上進行，混煉工藝為：一段混煉膠→硫黃和促進劑→充分混煉后下片。

1.5 性能測試

膠料各項性能和成品性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化性能

白炭黑分散劑H60EF的理化性能見表1。

由表1可以得出，白炭黑分散劑H60EF理化性能符合企業標準要求。

表1 白炭黑分散劑H60EF的理化性能

2.2 硫化特性

膠料的硫化特性見表2，tanδ為損耗因子。

表2 膠料的硫化特性

從表2可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度較小，從膠料不同停放時間的門尼粘度可知，添加白炭黑分散劑H60EF的膠料門尼粘度較低，說明白炭黑分散劑H60EF可通過內潤滑和物理包覆減少白炭黑二次團聚，從而降低膠料的門尼粘度，改善加工性能；t10和t90縮短，加工性能相對較好，生熱無增大趨勢。

2.3 物理性能

硫化膠的物理性能見表3。

表3 硫化膠的物理性能

從表3可以看出：與生產配方硫化膠相比，試驗配方硫化膠的300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度均有不同程度提高，耐磨性能和耐屈撓性能略有提高。老化后硫化膠各項性能變化規律與老化前大致相同，說明白炭黑分散劑H60EF對膠料的耐老化性能基本無影響。

2.4 分散性

硫化膠斷面的顯微鏡照片見圖1。

圖1 硫化膠斷面的顯微鏡照片（放大300倍）

從圖1可以看出，未添加白炭黑分散劑H60EF的白炭黑補強NBR中白炭黑粒子與橡膠間的界面清晰，且有大塊結合膠，而添加白炭黑分散劑H60EF的白炭黑補強NBR中白炭黑粒子的尺寸變小，無明顯結合膠，白炭黑粒子與橡膠的界面模糊，說明白炭黑分散劑H60EF促進分散作用明顯。

2.5 RPA分析

混煉膠的彈性模量與應變的關系曲線如圖2所示。

圖2 混煉膠的彈性模量與應變的關系曲線

從圖2可以看出：在較低應變下，生產配方混煉膠的彈性模量較大，隨著應變增大，彈性模量快速下降，之后在大應變下，彈性模量趨于穩定，具有明顯的Payne效應，說明體系內有大量白炭黑聚集體；與生產配方混煉膠相比，試驗配方混煉膠的Payne效應不明顯，可以推測白炭黑分散劑H60EF使白炭黑在NBR中得到良好分散，使白炭黑與橡膠的接觸面積增大，這與數碼顯微鏡的觀測結果一致。

3 結論

（1）白炭黑分散劑H60EF可以明顯改善白炭黑的分散性，提高硫化膠的抗撕裂性能、耐磨性能和耐屈撓性能。

（2）白炭黑分散劑H60EF可通過內潤滑和物理包覆減少白炭黑二次團聚，降低膠料的門尼粘度，改善膠料加工性能。