炭黑對天然橡膠蠕變性能的影響

李云華，郝偉剛

（諾博橡膠制品有限公司，河北 保定 072550）

橡膠蠕變是指在一定的溫度和外力（拉力、壓力或扭力）下，橡膠變形隨時間延長而增大的現象。蠕變是橡膠粘彈性的一種表現，即基于分子鏈移動或分子重排產生的特定現象[1]，也是一種力學松弛現象。

高分子材料的蠕變是其固有特性。橡膠采用硫化交聯的方式可以防止由于蠕變產生分子間滑移而造成的不可逆形變[2]。橡膠的抗蠕變能力越高，應力松弛速率越小。不添加補強劑和填充劑的橡膠抗蠕變性能最好。但橡膠制品都要求有一定剛度，所以橡膠中要適當添加補強劑。

炭黑是橡膠重要的補強劑。炭黑可以提高橡膠的彈性模量，在高伸長率變形下，炭黑對橡膠的應力松弛速率影響不大；但在低伸長率變形下，炭黑品種和用量對橡膠的應力松弛性能有較大影響[3-4]。

本工作考察炭黑品種對天然橡膠（NR）蠕變性能的影響，為抗蠕變橡膠制品選擇適宜的補強材料提供思路。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，TSR-CV60，西雙版納中化橡膠有限公司產品；氧化鋅，質量分數為0.997，鎮江白水化學有限公司產品；硬脂酸，牌號SA-1801，嘉里油脂化學工業（天津）有限公司產品；炭黑N330和N774，東海橡塑（天津）有限公司產品；炭黑N550，卡博特化工有限公司產品；炭黑N990，德固賽化學有限公司產品；凡士林，工業級，天津市瑞達鑫華拋磨材料有限公司產品；硫化劑S-80（硫黃母膠粒），臺翔橡膠（深圳）有限公司產品。

1.2 試驗配方

試驗配方見表1。1#—4#配方分別添加30份不同品種的炭黑。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備與儀器

3 L密煉機和203.2 mm（8英寸）開煉機，廣東利拿機械有限公司產品；XW-221型平板硫化機和MC010-LXS-A型邵氏硬度計，上海嚴潤光機科技有限公司產品；YM-RH300T-3000CC型注射硫化機，無錫陽明橡膠機械有限公司產品；M2000-FAN型無轉子硫化儀、GT-TCS-2000型電腦系統拉力試驗機、GT-7049-DH型應力松弛蠕變儀和 GT-7017-EM型老化試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品。

1.4 工藝流程

膠料混煉分4段進行。一段混煉在密煉機中進行，密煉室初始溫度為40 ℃，轉子轉速為32 r·min-1，加料順序為：生膠→小料→炭黑→凡士林→排膠（125 ℃）。

二段混煉在開煉機上進行，輥距調至3 mm，混煉工藝為：一段混煉膠→翻煉→下片，停放24 h。

三段混煉在密煉機中進行，密煉室初始溫度為40 ℃，轉子轉速為32 r·min-1，加料順序為：二段混煉膠→硫化劑和促進劑→排膠（110 ℃）。

四段混煉在開煉機上進行，輥距調至3 mm，混煉工藝為：三段混煉膠→翻煉→下片，停放16 h。

1.5 性能測試

膠料蠕變性能按照GB/T 19242—2003《硫化橡膠在壓縮或剪切狀態下蠕變的測定》進行測試，試驗載荷為540 N，溫度為85 ℃，時間為960 h，壓縮蠕變指數計算公式如下。

壓縮蠕變指數＝（ε2-ε1）/ε1＝（δ1-δ2）/（δ0-δ1）式中，ε1為施加載荷10 min時的壓縮應變；ε2為規定試驗時間（960 h）的壓縮應變；δ0為試樣的初始厚度，mm；δ1為施加載荷10 min時的試樣厚度，mm；δ2為規定試驗時間（960 h）的試樣厚度，mm。

膠料其他性能測試按照相應國家標準進行。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

炭黑品種對NR膠料硫化特性的影響見表2。從表2可以看出，隨著炭黑粒徑增大、比表面積減小，膠料的FL和Fmax總體減小，t10和t90逐漸延長，Fmax減小表明膠料的結合膠含量減小，即炭黑表面吸附的橡膠量減小[5]，炭黑對膠料的補強性能降低。

表2 炭黑品種對NR膠料硫化特性的影響

2.2 物理性能和蠕變性能

炭黑品種對NR膠料物理性能和蠕變性能的影響見表3。從表3可以看出：隨著炭黑粒徑增大，膠料的硬度、100%定伸應力和撕裂強度總體下降，炭黑對膠料的補強性能下降；炭黑N330與N774膠料的壓縮蠕變指數相當，抗蠕變性能相當；炭黑N990膠料的壓縮蠕變指數最大，抗蠕變性能最差；炭黑N550膠料的壓縮蠕變指數最小，抗蠕變性能最好。

表3 炭黑品種對NR膠料物理性能和蠕變性能的影響

研究表明[6]，在一定炭黑用量下，NR膠料蠕變量隨炭黑粒徑增大而減小，即大粒徑炭黑膠料的蠕變小。然而，膠料模量不僅由炭黑粒徑決定，還受炭黑結構的影響。高結構炭黑（如炭黑N550）比低結構炭黑（如炭黑N774和N990）模量（或硬度）大。因此，填充較少量的高結構炭黑就可以使膠料達到預定模量（或硬度）。從壓縮蠕變指數的測試方法和計算公式可以看出，在相同載荷下，試樣的ε1對蠕變量具有決定性作用。炭黑N990膠料的硬度和定伸應力較低、施加載荷的初始形變較大，因此壓縮蠕變指數較大；炭黑N550膠料的硬度和定伸應力較高、施加載荷的初始形變較小，因此壓縮蠕變指數較小。

2.3 制品性能

采用炭黑N550的2#配方試制某運動型多用途汽車（SUV）發動機懸置總成橡膠件，并與炭黑N774的3#配方橡膠件對比，蠕變對發動機懸置總成橡膠件動靜剛度的影響見表4。從表4可以看出：試驗橡膠件和生產橡膠件蠕變前的靜剛度相差不大，動剛度相差較大，蠕變后的靜剛度和動剛度均增大，動剛度的變化率大于靜剛度；與生產橡膠件相比，試驗橡膠件蠕變量較小，動剛度的變化率明顯小于生產橡膠件，說明試驗橡膠件抗蠕變性能較好。在一定溫度和外力（拉力、壓力或扭力）下，發動機懸置總成橡膠件的蠕變量越小，其剛度變化率越小，更有利于降低車輛的噪聲，減小車輛振動與聲振粗糙度（NVH）性能。

表4 蠕變對發動機懸置總成橡膠件動靜剛度的影響

3 結論

（1）隨著炭黑粒徑增大、比表面積減小，NR膠料的FL和Fmax總體減小，t10和t90延長，結合膠含量減小。

（2）炭黑N330與N774膠料的抗蠕變性能相當，炭黑N990膠料的抗蠕變性能較差，炭黑N550膠料的抗蠕變性能較好。

（3）采用炭黑N550膠料的發動機懸置總成橡膠件蠕變量小，動剛度變化率小，抗蠕變性能較好。