異戊橡膠/天然橡膠共混材料的性能研究

摘""""" 要： 異戊橡膠（IR）因其結構和性能與天然橡膠（NR）相似，可部分替代NR應用于輪胎、膠管等領域。用異戊橡膠部分替代天然橡膠，研究了異戊膠添加量對磨耗性能、壓縮性能、力學性能、回彈性能以及邵氏硬度性能的影響。結果表明：當異戊膠和天然膠的份數比為40/60時，硫化膠的綜合性能最好。

關" 鍵" 詞：異戊橡膠；天然橡膠；共混

中圖分類號：TQ330.1""" """文獻標識碼： A"""" "文章編號： 1004-0935（2023）08-1104-03

異戊橡膠（IR）也被稱為順式聚異戊二烯橡膠，它的化學組成同天然橡膠（NR）的化學組成非常類似，而且兩者的立體結構和物理機械性能也非常接近，因此異戊橡膠也被稱為合成天然橡膠^[1]。但是，異戊橡膠和天然橡膠的微觀結構也稍微有所不同，例如天然橡膠的順式結構質量分數超過98%，而異戊橡膠的順式結構質量分數介于92%～97%之間，低于天然橡膠，異戊橡膠的結晶性也低于天然橡膠。在相對分子質量方面，異戊膠的相對分子質量低于天然橡膠，且帶有一些支鏈和凝膠。同天然橡膠相比，異戊橡膠的分子質量更為均一，更加容易塑煉，體積膨脹和收縮率更低，加工流動性更高，因此在已知的所有膠種中，異戊橡膠是替代天然橡膠且綜合性能最好的橡膠材料。異戊橡膠首先是由美國公司研究開發的，前蘇聯及獨立國家聯合體由于缺乏天然膠資源，在戰略上大力發展異戊橡膠，因此其異戊橡膠產業發展較快^[2]。

目前，我國在異戊橡膠替代天然橡膠領域消費的異戊橡膠主要應用于鋼絲圈部位。在該部位使用異戊橡膠的優勢主要是能夠明顯改善膠料的加工性能，硫化后膠料的硬度更高且具有更高的撕裂強度和耐磨性，低黏度的膠料在鋼絲上包裹的更為均勻。例如，采用15 phr的異戊橡膠來替代天然橡膠用于內胎生產可顯著提高經濟效益，降低成本，輪胎半成品和成品各項性能也能符合國家的相應標準，尤為重要的是，異戊橡膠部分替代天然橡膠可以使膠料具有更為優良的加工流動性^[3-5]。

此外，異戊橡膠也可用于生產膠管和膠帶等，在夾布膠管生產中，使用異戊橡膠能有效降低能耗，簡化工序^[6-7]。編織軟管常用的骨架材料是聚酯簾線，同天然橡膠材料相比，異戊橡膠在抑制聚酯簾線胺解方面的優勢更加明顯，非常適合在膠管中使用^[8-10]，因此在本文中，重點研究了膠管用IR部分取代NR混煉膠力學性能的變化。

1 "實驗部分

實驗原料

天然橡膠（NR），異戊橡膠（IR），硫黃，促進劑CZ，防焦劑CTP，硬脂酸，氧化鋅（ZnO），防老劑RD，白艷華，N770炭黑，DOP。

1.2" 實驗設備

開放式煉膠機，青島半球橡膠機械有限公司；平板硫化機，湖州順力橡膠機械有限公司；微機控制電子萬能試驗機，協強儀器制造（上海）有限公司；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

按照設計的配方精確稱取原料，輥溫在室溫下，加入NR在雙輥開煉機上塑煉，塑煉均勻后，按順序加入配合劑?；烊牒螅却蛉前ㄗ笥覂啥私惶鎵喝耄?，再以0.5 mm輥距薄通6次，最后下片。

1.4" 測試項目

1.4.1 "拉伸性能測試

試樣拉伸性能按GB/T528—1998測試，測試溫度25 ℃，拉伸速500 mm·min^-1，測定其拉伸強度和斷裂伸長率。

1.4.2 "阿克隆磨耗測試

磨耗性能測試按照國家標準《硫化橡膠耐磨耗性能測定》（GB1689—82）進行磨耗試驗。將所需試樣按在阿克隆磨耗試驗機上，預磨5 min后取下，用天平稱重，準確到0.001 g，稱重后再將其試樣按在阿克隆磨耗試驗機上，磨耗3 415轉后取下試樣稱其重量，準確到0.001 g，前者減去后者就是磨耗質量。

1.4.3 "邵A硬度測試

邵A硬度按GB /T 531—1999標準測試。

1.4.4 "回彈性能測試

硫化橡膠的回彈性按照《硫化橡膠回彈性的測定》（GB/T1681—91）進行測定。

1.4.5 "壓縮永久變形測試

壓縮永久變形依據《硫化橡膠恒定形變永久變形的測定方法》（GB1683—81）進行測試。

1.4.6 "壓縮生熱測試

壓縮生熱性能依據《硫化橡膠在壓縮曲撓試驗中溫度升高和耐疲勞性的測定》（GB1687—83）進行測試。

1.5" 實驗配方

硫黃 2.0、促進劑CZ 1.5、防焦劑CTP 0.3、硬脂酸 2、氧化鋅（ZnO） 3、防老劑RD 1、白艷華25、N770炭黑 50、DOP 15、天然橡膠與異戊橡膠是變量。

2 "結果與討論

2.1" 異戊膠份數對混煉膠力學性能的影響

異戊膠份數對混煉膠力學性能的影響趨勢如 圖1所示。

由圖1可以看出，當異戊膠的添加份數逐漸增加到60 phr時，硫化膠的拉伸強度一直在下降，由最初的20.68 MPa下降到18.25 MPa，繼續增加異戊膠的份數，拉伸強度又略有增加，達到18.92 MPa。硫化膠的斷裂伸長率和300%定伸強度變化趨勢類似，都是數值先增大后減小，并在異戊膠的添加量為40 phr的時達到最高值，此時斷裂伸長率和300%定伸強度的值分別是675%和9.5 MPa。這說明部分異戊膠替代天然橡膠可以明顯改善天然橡膠的物理機械性能，這可能與兩者在共混過程中分子鏈發生滑移或重排有關，當異戊膠的添加40 phr時硫化膠的綜合性能最好。

2.2" 異戊膠份數對混煉膠耐磨性的影響

異戊膠份數對混煉膠耐磨性的影響如圖2所示。由圖2可以看出，隨著異戊膠添加量的增加，阿克隆磨耗體積數值呈先增大后減小的趨勢，當異膠添加量為60 phr時，阿克隆磨耗體積達到"" 0.375 cm³，隨后阿克隆磨耗體積又不斷下降。在混煉膠耐磨性方面，純的異戊膠和純的天然膠的磨耗性能都很好，但制成共混膠則明顯下降，這可能是異戊膠和天然橡膠共混時相容性較差，導致磨耗體積較大。

2.3 "異戊膠份數對回彈率和硬度的影響

圖3為異戊膠份數對回彈率和硬度的影響。

當異戊膠填充份數不斷增大，硫化膠的回彈性能不斷下降，當異戊膠的份數是60 phr時，回彈率最低，約為27.5%。原因可能是天然橡膠是自補強橡膠，而異戊膠的結晶度低。同時，異戊膠部分替代天然膠的硬度均隨著異戊膠添加量的增加而降低。當未添加異戊膠時，混煉膠的硬度最大為62，隨著異戊膠繼續增加，硬度繼續降低，達到27.5。

2.4" 異戊膠對壓縮生熱的影響

異戊膠對壓縮生熱的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著異戊膠的份數不斷增加，混煉膠的生熱也不斷升高。未添加異戊膠時，溫升為35.0 ℃。當異戊膠的添加量為70 phr時，溫升可達到49.1 ℃。這說明異戊膠與天然橡膠共混時，混煉膠的內部分子結構變得更為復雜，導致溫度上升。

2.5" 異戊膠對壓縮永久變形和撕裂強度的影響

異戊膠填充量對共混膠硫化膠壓縮永久變形和撕裂強度的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著異戊膠添加份數不斷增加，混煉膠的壓縮永久變形一直在增加。 這是因為異戊膠結構與天然橡膠的分子結構差異很大，當大相對分子質量低異戊膠添加量增加時，混煉膠的交聯結構不完善，導致永久變形增大。混煉膠的撕裂強度隨異戊膠添加量增加的變化趨勢與壓縮永久變形的變化趨勢相同，都在一直在增加。

3 "結 論

異戊橡膠部分替代天然橡膠不僅可以補充天然橡膠資源不足，還可以改善制品性能，降低制品成本。從磨耗性能、壓縮性能、力學性能、回彈性能等實驗結果可以看出，異戊膠和天然橡膠的份數為40/60時，硫化膠的綜合性能最好。

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Study on Properties of Isoprene Rubber/Natural Rubber Blends

CUI Zang-kui JIANG Ning

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

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

Abstract： Isoprene rubber （IR） is the third largest category of synthetic rubber in the world. Because of its similar structure and performance with natural rubber （ NR ）， IR can partially replace NR in tires， hoses and other fields. In this paper， the effects of IR addition on wear properties， compression properties， mechanical properties， resilience and Shore A hardness were studied. It was found that when the mass ratio of IR to NR was 40/60， the comprehensive performance of vulcanized rubber was the best.

Key words： Isoprene rubber; Natural rubber; Blend