高苯乙烯樹脂在高阻尼橡膠中的應用研究

李 斌，楊麗博，張保生

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 前 言

高苯乙烯樹脂為苯乙烯與丁二烯的乳液聚合物，如圖1所示，其中聚苯乙烯充當硬段塑料相，由于聚苯乙烯玻璃化轉變溫度(Tg)高于室溫，在常溫下硬段聚苯乙烯鏈段相互締合，形成可逆物理交聯區域，起到補強作用[1]，而聚丁二烯則充當軟段橡膠相。一般來說高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量高于45%，且隨著苯乙烯含量的增加，高苯乙烯樹脂彈性降低，塑性增加[2]，高苯乙烯樹脂主要用于提高橡膠制品的硬度、剛度、抗撕裂性能及耐磨性能，同時能夠賦予膠料良好的抗撓曲性能，抗老化性能。

圖1 高苯乙烯樹脂結構示意圖

由于高苯乙烯樹脂的溶解度參數、極性和分子結構都與丁苯橡膠相近，所以它與丁苯橡膠并用效果很好，也能與天然橡膠（NR）、聚丁二烯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠并用，關于高苯乙烯樹脂的報道也多集中在高苯乙烯樹脂與三元乙丙橡膠、丁腈橡膠共混物性能研究[3-5]，但未見高苯乙烯樹脂在高阻尼橡膠中的應用，由于高苯乙烯中硬段微區苯乙烯具有內耗較大的苯環，在外界的作用下，分子鏈間具有較大的摩擦力，能夠將能量轉化為熱量消耗掉，筆者期望在高阻尼橡膠配方中引入高苯乙烯樹脂，提高膠料阻尼性能。本文研究了高苯乙烯樹脂用量、高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量及使用不同苯乙烯含量的高苯乙烯樹脂對高阻尼橡膠力學性能、耐熱氧老化性能及阻尼性能的影響，為高苯乙烯樹脂在高阻尼橡膠中的應用提供了數據基礎，同時為設計高硬度、高溫使用的高阻尼橡膠及相同硬度，不同剛度的高阻尼橡膠配方設計提供了新的思路。

1 實 驗

1.1 原材料及配方

高苯乙烯樹脂，苯乙烯與丁二烯的共聚物，廣州金昌盛科技有限公司提供，1) JS0202，苯乙烯含量45%；2)HS860，苯乙烯含量60%；3)S6H，苯乙烯含量83%。

表1 標準配方

基本配方(份)：氧化鋅，5.0；硬脂酸，2.0；N330炭黑，55.0；防老劑，6.5；軟化劑，15.0；受阻酚，15.0；硫磺，1.5。

1.2 試樣制備

橡膠混煉：將NR、高苯乙烯樹脂置于120 ℃的密煉機中，混煉2～3 min，加入防老劑、活性劑等小料，混煉2～3min，加入填料及軟化劑，混煉3～4 min，將膠料取出，在開煉機上加入促進劑和硫磺，混煉均勻后，薄通3次出片?；鞜捘z停放24 h進行返煉，平板硫化機150 ℃，20 min硫化成型。

1.3 主要儀器與設備

微機控制電子拉力試驗機，CMT-2013，深圳市新三思材料檢測有限公司產品；數顯硬度測試儀，DIGI testⅡ，德國BAREISS公司產品；熱空氣老化箱，401-B，上海實驗儀器有限公司產品；動態熱力學分析儀，DMA-IV型，美國Rheometric Scienti fi c公司產品。

1.4 分析測試

(1)物理力學性能

邵爾A硬度按照GB/T531進行測試；拉伸性能在室溫下采用電子拉力機按照GB/T528進行測試，拉伸速度為 500 mm/min。

(2)熱老化性能

試樣的熱空氣老化性能按照GB/T3512進行測試，老化條件為70 ℃，168 h。

(3)動態力學性能

采用動態力學分析儀(DMA) 按照HB/T7655-1999標準進行測試。T-tanδ曲線，f=2 Hz，升溫范圍-70～70 ℃，升溫2 ℃/min，空氣氣氛。

2 結果與討論

2.1 高苯乙烯樹脂用量對高阻尼橡膠性能影響

通過設計配方中高苯乙烯樹脂用量，設計了3組不同配方，研究高苯乙烯樹脂用量對高阻尼橡膠性能的影響。

莊大善人點頭說：“對對！實不相瞞，我有兩房太太，這么多年屁也不放一個！她們怕擔待不起，都勸我續娶三房。這不，前日朋友送來個女子，還沒來得及舉辦婚禮……”

2.1.1 力學和老化性能

填加不同用量高苯乙烯樹脂的高阻尼橡膠力學和老化性能如表2所示，從表2中可以看出：隨著配方中高苯乙烯樹脂用量的增加，高阻尼橡膠硬度呈上升趨勢，這是由于高苯乙烯樹脂中含有聚苯乙烯，聚苯乙烯為塑料，硬度較天然膠硬度大，隨著配方中高苯乙烯樹脂用量增加，體系中苯乙烯含量增加，膠料硬度增加；拉伸強度及拉斷伸長率呈下降的趨勢，這是由于高苯乙烯樹脂用量增加，體系中存在聚苯乙烯硬剛性微區增加，膠料硬度增加，膠料剛性增加，變形能力下降，導致應力難以被轉移，拉伸強度和拉斷伸長率下降[6]。同時可以看出，隨著體系中高苯乙烯樹脂用量的增加，老化后高阻尼橡膠硬度變化、拉斷伸長率變化率均呈下降的趨勢，表明高苯乙烯樹脂的加入能夠提高高阻尼橡膠的耐老化性能，這是由于高苯乙烯樹脂中聚苯乙烯不參與硫化反應，無多硫鍵生成，在熱氧老化過程中，不會發生多硫鍵的斷裂，高苯乙烯樹脂的加入提高了高阻尼橡膠的耐熱氧老化性能。

2.1.2 動態性能

圖2為含不同高苯乙烯樹脂用量的高阻尼橡膠DMA曲線，從圖2中可以看出：未填加高苯乙烯樹脂的高阻尼橡膠配方(1#)呈雙峰，且損耗峰值較高，隨著體系中高苯乙烯樹脂用量的增加，-20 ℃開始出現一損耗峰，轉為三峰結構。一般稱tanδ≥0.3的溫度范圍為有效阻尼溫域[7,8]，雖然高苯乙烯樹脂用量增加，損耗峰下降，膠料阻尼性能下降，但在高溫區域(溫度＞0 ℃)處的損耗峰有效阻尼溫域得到了拓寬，這是由于DMA曲線能夠反映體系中各組分含量[9]，聚苯乙烯的Tg高于室溫，在DMA曲線中，表現為0 ℃以上出損耗峰，體系中高苯乙烯樹脂用量越高，聚苯乙烯含量越高，對應的高溫處損耗峰越高。

表2 含不同用量的高苯乙烯樹脂高阻尼橡膠力學和老化性能

圖2 含不同高苯乙烯樹脂用量的高阻尼橡膠DMA曲線

2.2 高苯乙烯樹脂種類對高阻尼橡膠性能影響

選用3種不同高苯乙烯含量的高苯乙烯樹脂設計3組配方，比較了不同種類高苯乙烯樹脂對高阻尼橡膠性能的影響，其中，2#配方選用的高苯乙烯樹脂為JS0202，苯乙烯含量45%；4#配方選用的高苯乙烯樹脂為HS860，苯乙烯含量60%；5#配方選用的高苯乙烯樹脂為S6H，苯乙烯含量83%。

2.2.1 力學及老化性能

表3為填加不同高苯乙烯樹脂種類的高阻尼橡膠力學和老化性能，從表中可以看出選用的高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量越高，高阻尼橡膠力學性能和老化性能與2.1.1中規律越一致。值得注意的是5#配方中填加20份苯乙烯含量83%的高苯乙烯樹脂，高阻尼橡膠邵A達到89，拉伸強度和拉斷伸長率能夠滿足EN15129與JT/T842-2012標準中對高阻尼橡膠力學性能的要求，適合用于高硬度高阻尼橡膠配方設計。

表3 填加不同高苯乙烯樹脂種類的高阻尼橡膠力學和老化性能

圖3為填加不同高苯乙烯樹脂種類的高阻尼橡膠的DMA曲線，從圖3中可以看出僅2#配方出現三峰，其余均為雙峰結構，2#、4#、5#配方制備的高阻尼橡膠在低溫區域相差并不大(溫度＜0 ℃)，僅2#配方制備的高阻尼橡膠在-20 ℃出現肩峰，而在高溫區域(溫度＞0 ℃)，隨著選用高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量的增加，損耗峰向高溫方向移動，因此，高阻尼橡膠制品配方設計可根據其使用的溫度不同，選用不同的高苯乙烯樹脂來進行設計，使用溫度越高的高阻尼橡膠制品，應選用苯乙烯含量較高的高苯乙烯樹脂。

2.3 具有相同苯乙烯含量的高阻尼橡膠性能

選用3種含有不同苯乙烯含量的高苯乙烯樹脂，通過控制這3種高苯乙烯樹脂在配方中的填加量，使體系中苯乙烯的含量相同。設計了3組配方，比較相同苯乙烯含量的高阻尼橡膠性能。

圖3 填加不同高苯乙烯樹脂種類的高阻尼橡膠DMA曲線

2.3.1 力學及老化性能

表4為具有相同苯乙烯含量的高阻尼橡膠力學和老化性能，從表4中可以看出2#配方邵爾A硬度最低，且拉伸強度均較其余兩個配方樣品低，這是由于2#配方選用的高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量較低，配方中填加了較多的高苯乙烯樹脂，從而使體系中苯乙烯含量相同，由于含有較多的丁二烯，因此，2#配方高阻尼橡膠拉伸強度略低；6#配方與7#配方樣品力學性能及老化性能差別不大，可能是由于選用的兩種高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量均較高，體系中填加高苯乙烯樹脂用量相差不大，因此，導致力學性能及老化性能相差不大，值得注意的是6#配方與7#配方樣品邵爾A硬度相同，但7#配方樣品100%定伸應力較6#配方樣品高，表明7#配方膠料制備的橡膠制品具有更高的剛度，為設計相同硬度，不同剛度的橡膠制品配方提供了新方法。

表4 具有相同苯乙烯含量的高阻尼橡膠力學和老化性能

2.3.2 動態性能

圖4為具有相同苯乙烯含量的高阻尼橡膠DMA曲線，從圖4中可以看出除2#配方、6#配方、7#配方在高溫處(溫度＞0 ℃)損耗峰相差不大，這是由于高溫處損耗峰主要是受體系中苯乙烯含量的影響，2#配方、6#配方、7#配方三個配方中苯乙烯含量相同，因此，高溫處損耗峰相差不大，值得注意的是，體系中苯乙烯含量相同，選用的高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量越高，低溫阻尼效果越好。

圖4 具有相同苯乙烯含量的高阻尼橡膠DMA曲線

3 結 論

1）配方中高苯乙烯樹脂用量越高，高阻尼膠料力學性能越呈下降的趨勢，耐老化性能提高；隨著高苯乙烯樹脂含量的增加，高阻尼橡膠高溫處(溫度＞0 ℃)損耗峰提高，且有效阻尼溫域得到拓寬，因此，對于制備高溫條件下使用的高阻尼橡膠制品來說，可適當增加配方中高苯乙烯樹脂的用量；

2）制備高阻尼橡膠選用的高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量越高，制備的膠料硬度越高，選用82%苯乙烯含量的高苯乙烯樹脂，僅在配方中填加20份，試樣硬度即可達到89，且高溫處的損耗峰高，選用苯乙烯含量高的高苯乙烯樹脂適合制備高硬度、高溫使用的高阻尼橡膠；

3）制備相同苯乙烯含量的高阻尼橡膠，選用高苯乙烯樹脂中苯乙烯含量越高，配方中填加的高苯乙烯樹脂用量越低，力學性能越優，邵爾A硬度越高。同時發現，制備相同硬度的膠料，根據選用的高苯乙烯樹脂不同，高阻尼橡膠的100%定伸應力也不同，產品剛度也不同。本研究為設計相同硬度，不同剛度的橡膠制品配方提供了新方法。

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