何燦忠1,2，彭 政1，鐘杰平1,3, 許 逵1，羅勇悅1，王 光1(1.中國熱帶農業科學院農產品加工研究所，廣東 湛江 524001;2.海南大學農學院，海南 海口 570228;3.廣東海洋大學理學院，廣東 湛江 524088)
摘要：研究在不使用任何偶聯劑的條件下，白炭黑在環氧化天然橡膠(ENR)中的應用。白炭黑在天然橡膠(NR)中會發生明顯的團聚，而在ENR中的團聚情況可得到明顯改善，且ENR的環氧化程度越高，白炭黑的分散性越好。ENR白炭黑膠料表現出良好的抗濕滑性能和較低的滾動阻力，白炭黑用量大于20份時，ENR/白炭黑膠料的壓縮生熱明顯低于NR/炭黑膠料。
關鍵詞：天然橡膠;環氧化天然橡膠;白炭黑;分散性;抗濕滑性能;滾動阻力;壓縮生熱
納米填料在橡膠基體中的分散性對膠料的綜合性能具有決定性的影響，有效提高納米粒子在橡膠中的分散性，是開發高性能輪胎膠料的關鍵。環氧化天然橡膠(ENR)是天然橡膠(NR)經環氧化改性后的產品，本工作在不使用任何偶聯劑的條件下，在ENR中添加納米二氧化硅(白炭黑)，通過ENR分子鏈上的環氧基團與白炭黑表面硅羥基的相互作用力(氫鍵或是化學鍵)，抑制白炭黑的團聚，使白炭黑均相分散在橡膠基體中，以提高膠料的性能。
1 ·實驗
1.1 主要原材料
NR，牌號SCR5，海南省農墾集團有限公司產品;ENR，牌號ENR25(環氧化程度為25%)和ENR40(環氧化程度為40%)，中國熱帶農業科學院農產品加工研究所制備;沉淀法白炭黑，牌號Tokusil 225，江西南吉化工公司產品。
1.2 配方
生膠(NR或ENR25或ENR40)，100;白炭黑(變量)，0～50;硫黃，1.5;氧化鋅，5;促進劑NS，1.5;硬脂酸，2;防老劑4020，2。
1.3 試樣制備
一段混煉在開煉機上進行，將生膠和白炭黑于50 ℃下在開煉機上混煉，停放過夜。
二段混煉也在開煉機上進行，在一段混煉膠中加入硫黃、促進劑及其他配合劑，混煉均勻后出片。
混煉膠停放6 h以上之后，采用硫化儀測定正硫化時間，再在平板硫化機上按測得的正硫化時間硫化，硫化溫度150 ℃。
1.4 測試分析
(1)試樣斷面形態。采用掃描電子顯微鏡(SEM)在發射電壓1 kV下觀察硫化膠冷凍脆斷面，考察白炭黑納米粒子在橡膠基體中的分散狀態及白炭黑納米粒子的微觀形貌。
( 2 ) 動態力學性能( D M A ) 。采用德國Netzsch公司生產的242C型動態熱力學分析儀測試，測試溫度-120～+100 ℃，升溫速率5 ℃·min-1。靜態力0.5 N，動態力2 N，振幅50 μm，比例因子 1.1。
(3)壓縮生熱性能。采用德國Gabo公司生產的Gabometer 4000型橡膠動態壓縮生熱儀測試，測試初始溫度30 ℃，頻率30 Hz，載荷240.6 N，時間30 min(預熱5 min，測試25 min)。
2 ·結果與討論
2.1 白炭黑的分散性
N R / 白炭黑和E N R / 白炭黑膠料的S E M 照片見圖1。圖中，NR/10份白炭黑的膠料記為NR-10，ENR25/10份白炭黑的膠料記為ENR25-10，ENR40/10份白炭黑的膠料記為ENR40-10，以此類推。
從圖1可以看出：白炭黑在NR膠料中發生了明顯的團聚，當白炭黑用量大于20份時膠料中出現了大量的聚集塊。這是由于白炭黑具有非常大的表面能，粒子表面含有大量的硅羥基，在不使用任何偶聯劑的情況下，白炭黑在NR中的分散性較差。而在ENR膠料中，由于NR分子鏈中引入環氧基團，白炭黑的團聚情況得到明顯改善，白炭黑在ENR基體中呈均相分布，而且ENR40膠料中的白炭黑分散情況優于ENR25膠料，說明ENR環氧基團的含量越高，白炭黑在ENR中的分散性越好。
2.2 動態力學性能分析
NR分子鏈中部分雙鍵環氧化改性后，分子鏈柔性降低，玻璃化溫度(Tg)升高。不添加白炭黑的NR和ENR的膠料損耗因子(tanδ )隨溫度的變化曲線見圖2。可以看出：膠料0 ℃時的tanδ隨著ENR環氧化改性程度的提高而增大，表明膠料動態滯后損失變大，抗濕滑性能提高。ENR25和ENR40膠料0 ℃時的tanδ (表征抗濕滑性)大于NR膠料，60 ℃時的tanδ (表征滾動阻力)小于NR，表明其抗濕滑性能和滾動阻力同時得到改善。
NR/白炭黑和ENR/白炭黑膠料的tanδ 隨溫度的變化曲線見圖3。可以看出：白炭黑加入后，ENR40膠料的抗濕滑性能均優于NR膠料，ENR25的滾動阻力小于NR膠料;白炭黑用量為20份時，ENR40膠料的滾動阻力與NR膠料相當，而當白炭黑用量大于20份時，ENR40膠料的滾動阻力低于NR膠料;白炭黑用量為20份時，ENR25膠料的抗濕滑性能與NR膠料相當，白炭黑用量大于20份時，ENR25膠料的抗濕滑性能低于和滾動阻力均小于NR膠料。
2.3 壓縮生熱性能
NR/白炭黑和ENR/白炭黑膠料的壓縮生熱性能見圖4。
從圖4(a)可以看出：橡膠環氧化程度提高，膠料的壓縮生熱升高，這是由于NR分子鏈上含有大量的雙鍵，分子鏈的柔順性好，分子鏈間摩擦內耗較低;隨著橡膠分子鏈上的雙鍵被改性成環氧基團后，分子鏈的柔順性降低，分子鏈間的摩擦內耗升高，因此膠料生熱性隨橡膠環氧化程度提高而升高。
隨著白炭黑的加入，在動態應力-應變條件下，膠料的橡膠大分子鏈之間、橡膠分子鏈與填料粒子之間、填料粒子之間的相對運動不同步，由于橡膠分子鏈之間的摩擦屬于微小的結構間摩擦，填料粒子之間的摩擦至少屬于納米級顆粒摩擦，相對而言，填料的加入使得摩擦更加劇烈，從而導致膠料整體動態生熱大幅提高。填料對膠料動態性能的影響主要來自以下2個方面：填料與橡膠分子之間的接觸界面和填料用量。一般來說，填料粒徑越小，其比表面積越大，表面能也就越大，越易發生團聚以降低表面能，填料團聚后越難分散，分散性越差，膠料的動態性能越不好，生熱越大，在使用過程中制品內部越容易被高溫燒蝕破壞;填料用量越大，填料粒子與橡膠分子之間的摩擦部位越多，動態生熱越大。
隨著白炭黑用量增大，NR/白炭黑膠料壓縮生熱迅速增大，這是由于白炭黑在NR膠料中發生了嚴重的團聚，在動態作用下，填料之間的摩擦占據主導地位。白炭黑用量為20份時，NR膠料生熱大于ENR25膠料，低于ENR40膠料;當白炭黑用量為30份和40份時，NR膠料的生熱明顯高于ENR25和ENR40膠料。
3 ·結論
在不使用任何偶聯劑的條件下，白炭黑在NR基體中發生明顯的團聚，而在NR分子鏈中引入環氧基團，白炭黑的團聚情況得到了明顯的抑制，且環氧基團的含量越高，白炭黑的分散性越好。ENR/白炭黑膠料具有良好的抗濕滑性能和較低的滾動阻力;在白炭黑用量大于20份后，ENR/白炭黑膠料的壓縮生熱明顯低于NR/白炭黑膠料，這對于高性能綠色輪胎具有重要意義。
