劉玉鵬,杜愛華,劉付永,姚 薇,黃寶琛(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)
摘 要:研究了炭黑種類及用量對CR/TPI并用膠的影響。結果表明:隨著炭黑粒徑的增大,混煉膠焦燒時間有增大的趨勢,正硫化時間也隨之延長;硫化膠交聯程度降低;硫化膠的拉伸強度、斷裂伸長率、壓縮生熱溫升、屈撓性能和炭黑分散度隨之降低;常溫下回彈性能、磨耗性能提高;硫化膠的老化性能略有提高。添加炭黑N330硫化膠的綜合性能最好。隨著炭黑N330用量的增加,硫化膠拉伸強度先增大后減少,炭黑40份左右達到最大值,斷裂伸長率減少,磨耗性能和屈撓性能降低,壓縮生熱溫升、邵爾A硬度增大,常溫下回彈性能提高。
關鍵詞:炭黑;氯丁橡膠;反式-1,4-聚異戊二烯;硫化特性;物理機械性能
中圖分類號:TQ330.38+1文獻標識碼:A文章編號:1005-3174(2006)06-0010-04
氯丁橡膠(CR)分子以反式-1,4結構為主,具有規整的分子排列和可逆的結晶性能;且由于分子鏈雙鍵碳上所連氯的共軛效應和誘導效應,使雙鍵和氯的反應活性降低,不易發生化學反應,用CR制成的橡膠制品具有良好的穩定性和耐老化性。另外,氯丁橡膠還具有良好的耐屈撓性,故被廣泛應用于制造鐵路軌枕墊、橋梁支座和伸縮縫、礦井升降車和油槽基礎的支撐墊及車輛懸掛系統的空氣彈簧等[1,2]。CR中并用反式-1,4-聚異戊二烯(TPI)后,屈撓性能得到大幅提高[3]。炭黑是橡膠工業中最重要的補強性填料,炭黑性能對填充聚合物體系的加工性能和成品性能具有決定性的影響。本實驗選擇了橡膠工業中幾種常用的炭黑,考察了它們對CR/TPI并用膠性能的影響。
1 實驗部分
1.1 原材料
CR(Baypren 100):德國Bayer公司產品;TPI:實驗室自制,用負載鈦體系催化異戊二烯本體沉淀聚合法在100 L聚合釜中合成,反式-1,4-結構摩爾分數大于98%,用氫氣作為鏈轉移劑調節分子量;炭黑:德固薩化學有限公司;其它原材料均為市售工業品。
1.2 基本配方(質量份)
CR 90, TPI 10,高活性MgO 4, ZnO 5,HVA-2 1,硬脂酸0.5,DOP 10,微晶石蠟1.5,防OD 3,促進劑TMTD 1.3,炭黑變量。
1.3 儀器和設備
XK-160開煉機:上海橡膠機械廠產品;GT-M2000-A型無轉子硫化儀:臺灣高鐵科技股份有限公司產品;HS50~1000(TON)熱壓成型機:佳鑫電子設備科技(深圳)有限公司產品;AT-7000M電子拉力實驗機:臺灣高鐵科技股份有限公司產品;GT-7011D屈撓試驗機:臺灣高鐵科技股份有限公司產品;401A型老化實驗箱:上海實驗儀器總廠產品。
1.4 試樣制備
(1)開煉機混煉工藝:將CR與TPI混煉薄通10次高活性MgO、硬脂酸、微晶石蠟、防老劑炭黑DOP硫化劑、促進劑左右3/4割刀各3次薄通5次下片。
(2)硫化:按硫化儀測定的正硫化時間(tc90)在平板硫化機上于150℃下硫化制備試樣,硫化壓力為12~15 MPa。
1.5 性能測試
拉伸性能按GB/T528—1992測試;撕裂強度按GB/T529—1999測試,采用直角型試樣;邵爾A型硬度按GB/T531—1999測試;熱空氣老化性能按GB/T3512—2001測試;屈撓龜裂性能按GB/T13934—1992測試,采用半圓形斷面試樣;壓縮永久變形按GB/T7759—1996測定,A型試樣,70℃×24 h,壓縮率25%;磨耗性能按照DIN-53516 (the German Institute for Standardiza-tion)測試;炭黑分散性能按照ASTM2633測試。
2 結果與討論
2.1 不同種類炭黑對并用膠性能的影響
2.1.1 混煉膠的硫化特性
加入不同種類炭黑的各配方其混煉膠的硫化特性見表1。
由表1可知,在CR/TPI并用膠中,從2#到5#,隨著炭黑粒徑的增大,焦燒時間有增大的趨勢,正硫化時間也隨之延長;最低轉距和最高轉距以及MH-ML隨之減少,說明粒徑大的炭黑形成炭黑凝膠的能力較弱,交聯程度較低。
2.1.2 硫化膠的物理機械性能
各配方膠料的物理機械性能見表2和圖1。炭黑在硫化膠中的分散性能見圖2。
由表2和圖1可知,隨著炭黑粒徑的增大,硫化膠的拉伸強度、斷裂伸長率、壓縮生熱溫升、屈撓性能隨之降低;邵爾A硬度有降低的趨勢;常溫下回彈性能和磨耗性能提高。隨著炭黑粒徑的增大,比表面積減少,炭黑與分子鏈結合程度降低,而且,炭黑粒徑越大,在拉伸過程中炭黑與分子鏈之間越容易產生應力集中,因此,拉伸強度、斷裂伸長率有降低的趨勢。硫化膠老化前后的拉伸強度變化率先減少后增大,扯斷伸長率變化率幾乎不變,可見,隨著炭黑粒徑的增大,硫化膠的老化性能略有提高。由表2及圖2可知,隨著加入炭黑粒徑的增大,硫化膠中炭黑平均粒徑有增大的趨勢,炭黑分散度降低。由以上分析可知,炭黑N330的綜合性能最好。
2.2 炭黑N330用量對并用膠性能的影響
2.2.1 混煉膠的硫化特性
混煉膠的硫化特性見表3。
由表3可知,隨著炭黑用量的增加,硫化膠的焦燒時間和正硫化時間均減少,硫化速度增大,MH-ML值增大表明硫化程度提高。
2.2.2 硫化膠的物理機械性能
硫化膠的物理機械性能見表4。
由表4和圖3可知,隨著炭黑N330用量的增加,拉伸強度先增大后減少,40份左右達到最大值,這是因為隨著炭黑用量的增加,炭黑與分子鏈之間的結合強度增大,隨著炭黑用量的進一步增加,炭黑用量過大,以至于拉伸過程中炭黑聚集體與高分子鏈之間產生應力集中,所以拉伸強度減少。隨著炭黑用量的增加,斷裂伸長率減少,壓縮生熱溫升、邵爾A硬度增大,常溫下回彈性能提高,磨耗性能和屈撓性能降低。
3 結 論
(1)隨著炭黑粒徑的增大,混煉膠焦燒時間有增大的趨勢,正硫化時間也隨之延長;硫化膠交聯程度降低。
(2)隨著炭黑粒徑的增大,硫化膠的拉伸強度、斷裂伸長率、壓縮生熱溫升、屈撓性能和炭黑分散度隨之降低;常溫下回彈性能和磨耗性能提高;硫化膠的老化性能略有提高。炭黑N330賦予硫化膠最好的綜合性能。
(3)隨著炭黑N330用量的增加,硫化膠拉伸強度先增大后減少,炭黑用量40份左右達到最大值,斷裂伸長率減少,磨耗性能和屈撓性能降低,壓縮生熱溫升、邵爾A硬度增大,常溫下回彈性能提高。
