炭黑和碳納米管對丁腈橡膠性能的影響

王 彥，段友順，于 洋，夏 琳，辛振祥

（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）

丁腈橡膠（NBR）具有良好的耐油性能，廣泛應用于耐油制品中[1-2]。由于需要長期處于熱空氣環境中，NBR的耐熱空氣老化性能受到關注。鄒德榮等[3]制備了NBR/納米碳酸鈣復合材料，研究了普通碳酸鈣和納米碳酸鈣對其性能的影響，結果表明，納米碳酸鈣用量為100份時，復合材料的性能最好。陳朝暉等[4]研究了甲基丙烯酸鋅對NBR耐熱空氣老化性能的影響，結果表明，甲基丙烯酸鋅可明顯提高NBR的耐熱氧老化性能；戴洪雁等[5]研究了腰果殼油對NBR性能的影響，結果表明，與常用增塑劑相比，腰果殼油能夠提高NBR的物理性能、耐油性和耐熱空氣老化性能。

本工作主要研究炭黑和碳納米管對常溫和高溫下NBR物理性能和耐熱空氣老化性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

NBR，牌號1051，南帝化工有限公司產品；炭黑N330，青島德固賽化學有限公司產品；碳納米管，山東大展納米材料有限公司產品。

1.2 試驗配方

不同補強體系的NBR配方如表1所示。

表1 不同補強體系的NBR配方 份

1.3 主要設備與儀器

RC90/40型轉矩流變儀，德國哈克公司產品；SK-160B型兩輥開煉機，上海橡膠機械廠產品；HS 1007-RTMO型平板硫化機，佳鑫電子設備科技（深圳）有限公司產品；GT M2000-A型無轉子硫化儀和AI-700M型電子拉伸試驗機，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司；橡膠硬度計，上海險峰電影機械廠產品。

1.4 試樣制備

生膠和配合劑在轉矩流變儀（溫度為70 ℃，轉速為70 r·min-1）中混合均勻，排膠。混煉膠在兩輥開煉機上進一步混煉，加入硫黃翻煉數次，薄通至表面光滑無氣泡，下片。

終煉膠在平板硫化機上模壓硫化，硫化條件為170 ℃/15 MPa×t90。

1.5 性能測試

（1）加工性能采用RPA2000橡膠加工分析儀進行測試，掃描條件為：溫度 60 ℃，頻率 1 Hz，應變范圍 0.25%～210%。

（2）邵爾A型硬度按GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》進行測試。

（3）拉伸性能按GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》進行測試，拉伸速率為500 mm·min-1。

（4）撕裂強度按GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》進行測試，采用直角形試樣，撕裂速度為500 mm·min-1。

（5）熱空氣老化性能按GB/T 3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試驗》進行測試，老化條件為150 ℃×72 h。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

不同補強體系NBR混煉膠的硫化特性如表2所示。

表2 不同補強體系NBR混煉膠的硫化特性（170 °C）

從表2可以看出，增大炭黑用量或加入碳納米管后，混煉膠的t10和t90變化不大；MH－ML增大，這是由于炭黑用量增大，體系內纏結點增多，交聯密度增大。

2.2 加工性能

不同補強體系NBR膠料的儲能模量（G′）-應變（ε）的關系曲線如圖1所示。從圖1可以看出，2#和3#配方膠料的G′較大，說明增大炭黑用量或加入碳納米管后，膠料的粘度增大，Payne效應增強，加工性能降低。

圖1 不同補強體系NBR膠料的G′-lgε曲線

不同補強體系NBR膠料的損耗模量（G″）-lgε曲線如圖2所示。從圖2可以看出，隨著應變增大，G″呈非線性減小趨勢，這表明填料網絡的破壞大于重建；增大炭黑用量或加入碳納米管后，G″減小程度增大，這是由于膠料的網絡化程度增大，能量損耗增大。

圖2 不同補強體系NBR膠料的G″-lgε曲線

不同補強體系NBR膠料的損耗因子（tanδ）-lgε曲線如圖3所示。從圖3可以看出：應變較小時，膠料的tanδ基本不變，增大炭黑用量或加入碳納米管均使tanδ減小；應變較大時，tanδ明顯增大，增大炭黑用量或加入碳納米管均使tanδ增大，這可能與填料網絡的破壞和橡膠分子鏈間滑移引起的能量損耗有關。

圖3 不同補強體系NBR膠料的tanδ-lgε曲線

2.3 硫化膠常溫物理性能

常溫下不同補強體系NBR硫化膠的物理性能如表3所示。從表3可以看出：對比1#和2#配方硫化膠，炭黑用量增大，硫化膠的邵爾A型硬度、拉伸強度和撕裂強度增大；對比2#和3#配方硫化膠，加入少量碳納米管后，硫化膠的拉伸強度和撕裂強度增大，這是由于炭黑和碳納米管通過橡膠分子鏈連接在一起，形成完善的“葡萄狀構造”。熱空氣老化后，硫化膠的邵爾A型硬度增大，其他各項性能呈下降趨勢，這是因為NBR的老化為交聯過度，宏觀表現為膠料變硬、變脆。炭黑用量和碳納米管對硫化膠的耐熱空氣老化性能影響較小。

表3 常溫下不同補強體系NBR硫化膠的物理性能

2.4 硫化膠高溫物理性能

高溫下不同補強體系NBR硫化膠的物理性能如表4所示。從表4可以看出：與常溫相比，高溫下硫化膠物理性能較差；增大炭黑用量或加入碳納米管后，硫化膠的拉伸強度增大，拉斷伸長率減小，撕裂強度變化不大；熱空氣老化后，硫化膠的物理性能明顯降低，炭黑用量和碳納米管對硫化膠的耐熱空氣老化性能影響較小。

表4 高溫下不同補強體系NBR硫化膠的物理性能

3 結論

（1）增大炭黑用量或加入碳納米管，混煉膠的硫化時間變化不大，Payne效應增強，膠料的加工性能降低。

（2）增大炭黑用量或加入碳納米管，常溫下硫化膠的邵爾A型硬度和拉伸強度增大，拉斷伸長率變化不大；炭黑和碳納米管對硫化膠的耐熱空氣老化性能影響較小。

（3）與常溫相比，高溫下硫化膠的物理性能和耐熱空氣老化性能明顯降低。