天然橡膠/丁苯橡膠/白云母復合材料的性能研究

管俊芳，呂 灝，程飛飛，胡林強，李小帆，張凌燕

（1.武漢理工大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070）

白云母是一種性能優異的無機礦物填料，在橡膠中能起到補強和降低成本的作用[1-2]。硫化體系和硫化條件是影響白云母膠料的重要因素[3-10]。

本工作研究硫化體系、硫化條件和白云母用量對天然橡膠（NR）/丁苯橡膠（SBR）/白云母復合材料性能的影響，為白云母在橡膠中的應用提供指導。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，SCR5，西雙版納中化橡膠有限公司產品；SBR，牌號1502E，中國石油天然氣股份有限公司產品；白云母粉，d10，d50，d90（累計粒徑分布質量分數分別達到0.1，0.5，0.9時所對應的粒徑）分別為2.92，13.01，41.97 μm，白云母質量分數為0.938 9（SiO2質量分數為0.563 6，Al2O3質量分數為0.219 5，K2O質量分數為0.084 5，Na2O質量分數為0.003 1，Fe2O3質量分數為0.061 5，TiO2質量分數為0.006 7），河南駐馬店白云母礦產品；聚乙二醇（PEG），牌號6000，天津市大茂化學試劑廠產品；十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），開封東大化工有限公司試劑廠產品；硅烷偶聯劑，牌號WD60，武漢綠科文物建筑保護材料有限公司產品；無水乙醇，天津市廣成化學試劑有限公司產品；氧化鋅，柳州鋅品有限責任公司產品；硬脂酸，天津博迪化工股份有限公司產品；防老劑RD，中國石化南京化學工業有限公司產品；硫黃，山東臨沂金磺化工有限公司產品；促進劑D、CZ和DM，天津有機化工一廠產品。

1.2 主要設備與儀器

GH-10DY型高速混合機，北京英特塑料機械總廠產品；X（S）K-160型開煉機，上海雙翼橡膠機械有限公司產品；0.25 MN半自動壓力成型機，上海西瑪偉力橡塑有限公司產品；CP-25型切片機，上海化工機械四廠產品；LX-A型邵氏橡膠硬度計，上海六菱儀器廠產品；RGD-5型電子拉力試驗機，深圳市瑞格爾儀器有限公司產品；MH-74型阿克隆磨耗機，上海德杰儀器設備有限公司產品。

1.3 基本配方

NR 60，SBR 40，氧化鋅 5，硬脂酸 3，改性白云母 40，防老劑RD 1，硫黃/促進劑變量。

1.4 試樣制備

1.4.1 白云母改性

將白云母粉加入高速混合機中，充分預熱后依次加入PEG（質量分數為0.02）、CTAB（質量分數為0.01）、偶聯劑WD60（質量分數為0.015）、無水乙醇（質量分數為0.01）、硬脂酸（質量分數為0.02），在100 ℃下混合20 min，制得改性白云母。

1.4.2 膠料混煉和硫化

將NR和SBR在開煉機上混煉均勻，加入改性白云母、氧化鋅、硬脂酸、防老劑RD和硫化體系，混煉均勻，薄通，出片。混煉膠在室溫下停放24 h后，在平板硫化機上硫化，硫化條件為160 ℃×14 min。

1.5 性能測試

復合材料性能測試按照相應國家標準進行。

2 結果與討論

2.1 硫化體系

為得到優化硫化體系，進行了L9（34）正交試驗：因子A為促進劑D用量（份），B為促進劑CZ用量（份），C為促進劑DM用量（份），D為硫黃用量（份）。正交試驗因子與水平見表1，正交試驗方案見表2。

表1 正交試驗因子與水平

表2 正交試驗方案

正交試驗復合材料的物理性能見表3，根據表3對復合材料拉伸強度進行試驗結果分析（見表4）。

表3 正交試驗復合材料的物理性能

表4 正交試驗復合材料拉伸強度分析結果 MPa

從表4可以看出，對復合材料拉伸強度影響由大到小的因子順序為：A，B，C，D，最優水平為A3B1C2D2，即對于拉伸強度的優化硫化體系為：促進劑D 1.2，促進劑CZ 0.8，促進劑DM 0.6，硫黃 2.5。該優化硫化體系與7#配方硫化體系接近。

根據以上正交試驗結果進一步探索實際的優化硫化體系。表5為調整后的硫化體系，表6為相應復合材料的物理性能。從表6可以看出，10#配方膠料的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度最大，綜合物理性能較好，且促進劑用量最小。綜合考慮，確定10#配方的硫化體系為優化硫化體系，即優化硫化體系為：促進劑D 1，促進劑CZ 0.6，促進劑DM 0.6，硫黃 2.5。

表5 調整后的硫化體系 份

表6 調整后的硫化體系復合材料性能

2.2 硫化溫度

在采用優化硫化體系、硫化時間為14 min的條件下，考察硫化溫度對復合材料物理性能的影響，結果見表7。從表7可以看出：隨著硫化溫度升高，膠料的300%定伸應力和拉伸強度先提高后降低；當硫化溫度為145 ℃時，膠料的300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度最大，綜合物理性能較好，因此確定硫化溫度為145 ℃。

表7 硫化溫度對復合材料物理性能的影響

2.3 硫化時間

在采用優化硫化體系、硫化溫度為145 ℃的條件下，考察硫化時間對復合材料物理性能的影響，結果見表8。從表8可以看出：隨著硫化時間延長，膠料的300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度均總體呈下降趨勢；在試驗范圍內，當硫化時間為8 min時，膠料的拉伸強度和撕裂強度最大，綜合物理性能較好，因此確定硫化時間為8 min。

表8 硫化時間對復合材料物理性能的影響

2.4 改性白云母用量

在采用優化硫化體系、硫化條件為145 ℃×8 min時，考察改性白云母用量對復合材料物理性能的影響，結果見表9。從表9可以看出：改性白云母用量為20份時，復合材料的綜合物理性能較好。

表9 改性白云母用量對復合材料物理性能的影響

3 應用分析

在采用優化硫化體系、硫化條件為145 ℃×8 min時，不同用量改性白云母復合材料的性能與輪胎和橡膠鞋底材料的性能標準對比見表10。從表10可以看出：當改性白云母用量為20，40和60份時，復合材料的物理性能和耐磨性能滿足工業車輛輪胎胎面膠和墊帶膠、農業輪胎胎面膠和墊帶膠、載重型和非載重型力車輪胎胎面膠以及鞋跟膠料國家或行業標準要求，但不能滿足運動鞋底和便鞋底膠料行業標準物理性能要求；當改性白云母用量為80份時，復合材料的物理性能無法滿足農業輪胎胎面膠國家標準物理性能要求。因此，可以根據應用領域的不同合理地使用白云母。總的來看，改性白云母用量為20份時，復合材料物理性能和耐磨性能可以滿足大部分橡膠制品膠料的要求。

表10 不同用量改性白云母復合材料的性能與輪胎和橡膠鞋底材料性能標準對比

4 結論

（1）NR/SBR/白云母復合材料的優化硫化體系為：促進劑D 1，促進劑CZ 0.6，促進劑DM 0.6，硫黃 2.5；適宜的硫化條件為145℃×8 min。

（2）當改性白云母用量為20，40和60份時，復合材料的物理性能和耐磨性能均能滿足工業車輛輪胎胎面膠和墊帶膠、農業輪胎胎面膠和墊帶膠、載重型和非載重型力車輪胎胎面膠和鞋跟膠料國家或行業標準的要求。

（3）改性白云母用量為20份時，復合材料物理性能和耐磨性能可以滿足大部分橡膠制品的要求。