趙 蔚1,吳友平1,黃 希1,張立群1, 2(1·北京化工大學北京市新型高分子材料制備與加工重點實驗室,北京100029;2·北京化工大學教育部納米材料重點實驗室,北京100029 )
摘要:研究了用1份(質量,下同)或2份黏土替代5份或10份炭黑對炭黑/黏土/丁苯橡膠納米復合材料性能的影響。結果表明,用少量黏土非等量替代炭黑后,復合材料的物理機械性能變化不大;復合材料的耐磨性能隨炭黑用量的減少而降低,耐屈撓疲勞性能隨黏土用量增加而提高。當炭黑與黏土的填充量分別為45份和2份時,復合材料的物理機械性能和動態生熱與填充50份炭黑時相當。
關鍵詞:炭黑/黏土/丁苯橡膠納米復合材料;物理機械性能;耐磨性能;耐屈撓疲勞;動態生熱
中圖分類號:TQ 333·1文獻標識碼:B文章編號: 1000-1255(2007)01-0047-03
炭黑作為傳統的納米填料,其對橡膠制品高增強的地位是難以取代的[1],但橡膠制品要想獲得優異的綜合性能,僅靠炭黑的單一增強作用往往不夠。目前,將少量其他填料與炭黑并用以獲取高性能的研究已有很多,如將三氧化二鋁和炭黑并用可以提高材料的抗濕滑性,降低材料的滾動阻力[2];在載重車或工程機械輪胎胎面膠中添加1~3份(質量,下同)芳香聚酰胺短纖維,可以顯著改善材料的滯后和生熱性能[3]等。 ①納米級黏土在橡膠中主要用于橡膠制品的納米改性,與炭黑不同的是黏土具有獨特的片層結構,可以賦予材料良好的抗撕裂性能及氣體阻隔性能等[4~8]。本工作用1或2份黏土替代5份或10份炭黑,考察少量黏土與高份數炭黑并用對丁苯橡膠物理機械性能、耐磨耗性能、耐屈撓疲勞性能及耐壓縮疲勞性能的影響,并與純炭黑填充膠料的性能進行了對比,以期為黏土在輪胎胎面膠中的應用提供參考。
1 實驗部分
1·1 原材料
生產丁苯橡膠1502用丁苯膠乳為吉林化學工業公司產品;鈉基蒙脫土,吉林省四平市膨潤土廠產品。其他材料均為市售品。
1·2 配 方
配方1(質量份,下同) 丁苯膠乳100,氧化鋅3,硬脂酸1,防老劑1,促進劑1,硫黃1·75,高芳烴油10,炭黑N 234/黏土的用量分別為60/0,55/2, 50/4, 55/1, 50/2。配方2 丁苯膠乳100,氧化鋅5,硬脂酸2,防老劑1,促進劑1·8,硫黃1·6,高芳烴油10,炭黑N 234/黏土的用量分別為50/0或45/2。
1·3 試樣制備
將500 g鈉基蒙脫土與10 L去離子水混合,強烈攪拌5 h后沉降24 h以上,獲得穩定的懸浮液,棄去沉淀,測定固體物質量分數后,取一定量懸浮液加入到攪拌釜中,加入少量改性劑攪拌5 min,再加入丁苯膠乳攪拌15 min,絮凝洗滌, 50℃下干燥,得到黏土/丁苯橡膠納米復合材料母膠。塑煉后的母膠在開煉機上加入各種配合劑,混煉膠停放8 h后在平板硫化機上硫化,條件為溫度150℃,時間取正硫化時間。
1·4 性能測試
物理機械性能 根據GB 528—1998測試,拉伸速率500 mm/min, 21℃。
耐磨性能 用MH-74型阿克隆磨耗試驗機按照GB 1689—1989進行磨耗試驗,試驗里程1·61 km,取2或3次測量數據的平均值。耐屈撓疲勞性能 用北京化工機械實驗廠生產的XP-16型德墨西亞屈撓試驗機測試。將試樣固定在試驗機上,同一試樣的個數為3個,下夾持器的往復頻率為每分鐘(300±10)次,每104次停機進行檢查,記錄出現初級裂口的次數,取3次結果的平均值作為試驗值。
動態生熱 用YS-25型壓縮疲勞試驗機按照GB 1687—1993測試,環境溫度為55℃,時間為25 min。
2 結果與討論
作為橡膠的增強劑,黏土與炭黑在許多方面存在明顯差異:黏土與炭黑的形狀系數不同,黏土為片層結構,形狀系數大;黏土與炭黑同橡膠基質的界面結合作用也不同,炭黑同橡膠基質的界面結合要明顯優于黏土[9];黏土與炭黑的密度不同,炭黑為1·85 g/cm3,黏土為2·65 g/cm3,所以在同樣的質量填充量下,兩者在橡膠基質中的體積填充量不同。因此,本工作首先考察了黏土替代不同量炭黑對復合材料物理機械性能、耐磨性能和耐屈撓疲勞性能的影響,從而確定合適的黏土對炭黑的替代量,再進一步考察材料的物理機械性能和耐壓縮疲勞性能等。
2·1 黏土替代量的影響
分別用1或2份黏土替代5份炭黑,考察少量黏土的加入對復合材料性能的影響。
2·1·1 物理機械性能
由表1可以看出,在2種替代比下,用黏土替代炭黑時復合材料拉伸強度的變化不大,除50/4外,撕裂強度的變化也不大。但加入黏土之后,復合材料的扯斷伸長率都有一定幅度的增加,并且隨黏土用量的增加而增加, 300%定伸應力則隨黏土用量的增加而降低。這是由于黏土與橡膠間的界面作用比炭黑與橡膠間的界面作用弱,以及黏土的用量低于炭黑用量的緣故。當采用2份黏土替代5份炭黑時復合材料的邵爾A硬度基本上
保持不變,這是由于黏土片層的高形狀系數所致。總體看來,以2份黏土替代5份炭黑時,丁苯橡膠/炭黑/黏土納米復合材料的物理機械性能與純炭黑填充者相當。
2·1·2 耐磨性能
純炭黑填充硫化膠的阿克隆磨耗量為0·032 cm3, 55/2與55/1兩種硫化膠的磨耗量相當,分別為0·037 cm3和0·040 cm3,比純炭黑填充的有所增加;而50/4與50/2硫化膠的磨耗量分別為0·058 cm3和0·049 cm3,與純炭黑填充者相比明顯增加。可以看出炭黑的用量越低,復合材料的磨耗量越大;炭黑用量相同時,復合材料的磨耗量隨黏土用量的增加略有增加,但變化不大。分析原因可能是因為黏土與橡膠基質的界面結合不好,且黏土的形狀系數較大,易發生應力集中現象,所以加入黏土之后材料的耐磨性能略有下降。
2·1·3 耐屈撓疲勞性能
由表2可以看出,復合材料的耐屈撓疲勞性能隨黏土用量的增加而顯著增強。如前所述,黏土具有遠大于炭黑的形狀系數,所以在屈撓疲勞測試中,在循環應力的作用下,可以沿應力方向取向,且可以使初級裂紋沿其邊緣分裂,從而起到劈分裂紋的目的。因此,雖然黏土與橡膠基質的界面結合弱于炭黑,且較炭黑更易發生應力集中,但在較小的用量下,黏土沿應力方向上的取向和劈分裂紋的作用更強。所以,隨黏土用量的增加,復合材料的耐屈撓疲勞性能顯著增強;當黏土用量一致時,復合材料的耐疲勞性能隨炭黑用量增加有所降低。
2·2 兩種復合材料的性能比較
由表1可知5種復合材料的邵爾A硬度都明顯偏高,所以將炭黑的用量降低了10份。由表1還可發現,當用2份黏土替代5份炭黑時,復合材料的物理機械性能和耐磨性能變化不大,同時耐屈撓疲勞壽命增加,因此將炭黑/黏土為45/2的復合材料與50/0的純炭黑填充復合材料的物理機械性能和動態生熱進行了比較(見表3)。由表3可以看出,用2份黏土替代5份炭黑后,復合材料的邵爾A硬度有所降低, 300%定伸應力、拉伸強度、扯斷伸長率及撕裂強度等變化不大。另外,用黏土替代炭黑后,復合材料的動態生熱和相應的壓縮永久變形略有下降。
3 結 論
a)用1份或2份黏土分別替代5份炭黑,同時炭黑的替代量分別為5份和10份時,炭黑/黏土/丁苯橡膠納米復合材料與純炭黑增強材料的拉伸強度和撕裂強度相差不大; 300%定伸應力有所降低,扯斷伸長率提高。復合材料的耐磨性能隨炭黑用量的減少而下降,耐屈撓疲勞性能隨黏土用量的增加而增強。
b)當炭黑與黏土的用量為45/2時,復合材料的物理機械性能和動態生熱與填充50份炭黑者相當。
