白炭黑對異戊橡膠/黏土納米復合材料性能的影響

摘 " " "要：研究了不同添加量的白炭黑對IR/黏土納米復合材料拉伸強度、定伸應力、撕裂強度、磨耗性能等的影響。結果表明：隨著白炭黑添加量的增加可以明顯提高材料的拉伸強度，而對抑制 " " "IR/黏土納米復合材料熱氧老化性能沒有顯著影響。

關 "鍵 "詞：異戊橡膠；拉伸強度；熱氧老化

中圖分類號：TQ333.3 " " 文獻標識碼： A " " "文章編號： 1004-0935（2023）07-0951-03

中國橡膠工業發展一直受到橡膠原料來源的限制，天然橡膠供應尤為緊張，價格一直很高。受我國的地理條件的限制，我國只有海南、廣東、廣西等地區才生產天然橡膠，因此產量增速緩慢。目前，我國年生產天然橡膠最多為70萬t，遠遠達不到國內橡膠行業的龐大而快速的發展要求[1]。

異戊膠的分子結構和性能與天然橡膠非常類似，因此也常被稱為合成天然橡膠，它是由異戊二烯單體采用齊格勒-納塔催化劑通過配位聚合得到的一種合成橡膠。輪胎生產（除航空和重型輪胎外）中，異戊膠可以按照一定比例代替天然橡膠[2]，同天然橡膠相比，異戊膠的一些常規指標如生膠強度、黏著性、加工性能都不如天然橡膠。另外，異戊膠的硫化膠的抗撕裂強度、耐疲勞性等也比天然橡膠硫化膠稍低一些。因此，在輪胎胎面膠生產配方中，IR可以替代20%的NR；在胎體膠中，IR可以替代30%的NR，而且工藝條件也不必改變，膠料的綜合性能也不變，能夠正常使用。在內胎生產中，用 " "15份的IR替代NR還可以提高生產的效率，降低生產成本。由于IR的相對分子質量低于NR，所以IR部分替代NR制品的擠出加工性能更好[3-5]。

在橡膠行業，白炭黑是一種性能和用量僅次于炭黑的補強劑[6-7]。白炭黑粒子表面含有的硅醇基可以與橡膠大分子實現牢固的化學結合，這是白炭黑能夠補強橡膠的基本原因。此外，白炭黑還能夠與橡膠配方中的其他配合劑相互作用，使橡膠擁有最佳的物理性能。因此，在本文中重點研究白炭黑對異戊橡膠/黏土納米復合材料結構與性能的影響，為將來異戊橡膠/黏土納米復合材料的應用提供基礎數據。

1 "實驗部分

1.1 "實驗原料

異戊橡膠（IR），有機改性黏土（型號434），氧化鋅（ZnO），硬脂酸，促進劑CZ，硫黃，氣相法白炭黑，促進劑NOBS，防焦劑CTP，防老劑RD，松焦油，均為橡膠硫化配合劑，由沈陽第四橡膠股份有限公司提供。

1.2 "實驗設備

開放式煉膠機X（S）K-160，上海雙翼橡膠機械有限公司；平板硫化機XLB，青島第三橡膠機械廠；微機控制電子萬能試驗機RG1-30A，深圳市瑞格爾儀器有限公司；邵氏硬度計XHS，營口市材料試驗機廠；阿克隆磨耗試驗機GT-7012-A，彰毅電機工業股份公司。

1.3 "樣品制備

將有機改性黏土與IR在開煉機上混煉均勻，通過強烈的機械剪切作用使 IR 大分子鏈插入有機改性黏土片層之間，然后加入包括白炭黑等配合劑，得到白炭黑補強的IR/黏土納米復合材料。硫化膠在平板硫化機上制備，硫化條件為 9 MPa/溫度為變量×t90。

1.4 "測試項目

1.4.1 "熱氧老化

按照GB/T 3512—2001標準進行熱氧老化性能測試；熱氧老化系數=A×B×100%，其中，A為老化后斷裂伸長率保持率，B為老化后拉伸強度保 "持率。

1.4.2 "硬度測試

按照GB/T 6031—1998標準進行硬度測試。

1.4.3 "磨耗表面形態

通過Hirox CT-7三維顯微鏡觀察橡膠制品的磨耗表面形態。

1.4.4 "拉伸性能測試

按照GB/T 528—1998標準進行拉伸性能測試，拉伸速度為500 mm·min-1。

1.4.5 "撕裂性能測試

按照GB/T 529—1999標準進行撕裂性能測試。1.4.6 "磨耗實驗

按照GB1689—1998標準進行磨耗性能測試。

1.5 "實驗基礎配方

異戊橡膠（IR）100，有機改性黏土（型號434） 10，氧化鋅（ZnO）5，硬脂酸 1，促進劑CZ 1，硫黃 2，氣相法白炭黑 5、10、15、20，防焦劑CTP 3，防老劑RD 2，松焦油 10。

2 "結果與討論

2.1 "白炭黑補強IR的硫化性能

表1列出了白炭黑補強IR混煉膠的硫化特性。由表1可知，隨著補強劑白炭黑的添加量不斷增加，混煉膠的焦燒時間t10的值不斷增加，而正硫化時間t90的值變化不明顯，說明添加20 phr的白炭黑的混煉膠工藝安全性最好，而添加5 phr的白炭黑的混煉膠硫化時間最長。添加10 phr白炭黑的硫化速度最快，但和添加15 phr白炭黑比較接近，且均高于其他添加5 phr和20 phr白炭黑的混煉膠。

2.2 "白炭黑補強IR硫化膠的物理機械性能

不同添加量的白炭黑對IR硫化膠的物理機械性能的影響如表2所示。由表2可以看出，硫化膠100%、300%定伸強度和拉伸強度的變化趨勢相同，隨著白炭黑添加量的增加呈先增加再減小的趨勢，當白炭黑的添加量為10 phr時，100%、300%定伸強度和拉伸強度出現最大值，分別是7.2 MPa、 18.17 MPa和20.8 MPa。由表2也可以看出，隨著白炭黑添加量的增加，硫化膠的斷裂伸長率和撕裂強度一直在下降，而邵A硬度一直在增加。

2.3 "白炭黑補強IR硫化膠的耐磨耗性能

經白炭黑補強的IR硫化膠磨耗體積的變化趨勢如圖1所示。由圖1可以看出，經過白炭黑補強的IR硫化膠的抗磨耗性能明顯增強，這是可能是由于白炭黑顯著提高了硫化膠的強度和韌性，特別是抗撕裂性能增加的尤為明顯。添加20 phr白炭黑硫化膠的耐磨耗性能最佳，15 phr及20 phr次之，5 phr最差，但均優于未添加白炭黑樣品。

2.4 "白炭黑對補強IR硫化膠耐疲勞性能的影響

白炭黑不同添加量對IR膠補強后的疲勞壽命的影響如圖2所示。

由圖2可知，IR膠經白炭黑補強后疲勞壽命能夠不同程度提高，但白炭黑的添加量對疲勞壽命的影響差別很大。添加10 phr白炭黑樣品的疲勞壽命是各膠料中最高的，添加其他份數的白炭黑的膠料的疲勞壽命相近，但遠高于未添加白炭黑的空白樣品，這可能是由于空白樣的拉伸性能較低造成的。

2.5 "白炭黑對IR硫化膠耐熱氧老化性能的影響

橡膠材料在生命周期中，時刻因熱和氧的作用而發生熱氧老化，這是造成橡膠性能變差的主要原因。一般來說，在200 ℃以下時，橡膠發生氧老化占主導，熱只起到活化氧化、加快氧化速度的作用；在200 ℃以上時，溫度越高，降解速度越快，此時熱降解是橡膠性能惡化的主要原因。表3是在70 ℃、熱氧老化72 h的條件下不同添加量的白炭黑補強IR硫化膠熱氧老化性能的變化。

由表3可知，經熱氧老化之后，白炭黑不同添加量的硫化膠的100%定伸強度、拉伸強度、斷裂伸長率、永久變形和熱氧老化系數都發生了不同程度的下降。這是由于同大多數橡膠材料一樣，IR也是一種不飽和橡膠，分子中的碳碳雙鍵很容易在熱氧作用下發生反應，生成了大量活潑自由基，意味著橡膠分子主鏈已發生斷裂，必然會導致上述性能下降。

3 "結 論

采用白炭黑用于補強IR膠研究中發現，添加20 phr的白炭黑可以明顯改善混煉膠的工藝安全性。同未添加白炭黑相比，當添加10 phr白炭黑可以使拉伸強度由17.2 MPa提高到20.8 MPa，且添加了20 phr白炭黑硫化膠的耐磨耗性能最佳。

參考文獻：

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Effect of Silica on Properties of Isoprene Rubber/Clay Nanocomposites

CUI Zang-kui1，2， JIANG Ning2

（1. Shenyang No.4 Rubber Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110027， China;

2. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract： The effects of different dosages of silica on the tensile strength， modulus， tear strength and wear resistance of IR/clay nanocomposites were studied. The results showed that with the increase of silica content， the tensile strength of the material was significantly improved， but there was no significant effect on the inhibition of thermal oxidative aging of IR/clay nanocomposites.

Key words： IR; Tensile strength; Thermal oxidative aging