共混比對NR/BR共混磁流變彈性體性能的影響

姜寬，章婉琪，徐子欽，賈紅兵

(南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094)

智能材料是一類能夠感知環境的變化，通過自我判斷和結論實現指令、執行的新材料[1]。磁流變材料作為新型的智能材料，具有可控性強、可逆性好和響應快等一系列優點[2]，在醫療、建筑和軍事等領域有著廣泛的應用前景[3～4]。

磁流變彈性體（MRE）是在磁流變液的基礎上發展起來的新材料，在保持磁流變液的可逆性、可控性、響應快等特性同時，也克服了磁流變液中顆粒易沉降的問題。由于磁流變彈性體是固體，因此具有結構設計簡單、穩定性好、制備成本低等特有的優勢[5]。上述優勢使得磁流變彈性體成為當前智能材料領域研究的熱點之一[6]。

目前對磁流變彈性體材料的研究主要集中在基體材料、鐵磁性顆粒以及制備工藝等方面[7]。Chen[8]等研究了天然橡膠基的磁流變彈性體，發現當把微米級的鐵粒子混入NR中，在鐵粒子質量分數為80%和磁場為1 T時，相對磁流變效應可達133%。Sun[9]等對順丁橡膠基的MRE進行了研究，發現其相對磁流變效應可達到80%。但單獨的NR或BR基MRE都存在一些綜合性能方面的缺陷，如BR機械性能差，NR熱穩定性差等。所以，研制力學性能好、磁流變性能優的 MRE材料一直是磁流變彈性體研究的熱點。本文以NR、BR共混，制得共混基MRE，研究了不同共混比對NR/BR共混基MRE的硫化性能、力學性能、微觀結構、磁流變性能和熱穩定性的影響，以期得到綜合性能優的 MRE材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

天然橡膠，馬來西亞100/0煙片膠，南京金三力橡塑有限公司；順丁橡膠，上海高橋石化公司；羰基鐵粉（CIP）牌號EW，德國BASF公司；氧化鋅、硬脂酸、防老劑RD、防老劑4010NA、促進劑CZ、硫磺，南京金三力橡塑有限公司；古馬隆，江蘇永華精細化學品有限公司。

1.2 試樣制備

使用LN-120型開煉機將NR與BR分別塑煉，再進行共混3 min，待膠料均勻共混后依次加入ZnO、硬脂酸SA、防老劑RD、防老劑4010NA、促進劑CZ，及CIP、古馬隆，最后加入硫磺，薄通下片。將混煉膠放置24 h后，薄通3～4次，在MDR2000E型無轉子硫化儀上測試膠料的焦燒時間（t10）和正硫化時間（t90）。膠料的配方如表1所示。

表1 NR/BR共混物的MRE配方

1.3 性能測試

硫化性能測試： 使用MDR-2000E無轉子硫化儀（無錫蠡園化工設備有限公司產），依照GB/T 16584—1996測試不同共混比NR/BR基MRE的硫化性能。

物理機械性能測試：使用電子萬能試驗機（深圳三思CMT-4254型）依照GB/T 528—2009測試其拉伸性能，拉伸速率（500±50）mm/min。用邵氏LX-A型硬度計測試材料的硬度。

微觀結構分析：取不同共混比NR/BR基MRE置于導電膠上，使用掃描電子顯微鏡(SEM，PHENOM-G2型)觀察MRE橫截面的微觀結構。

熱穩定性測試： 使用差熱分析儀(日本島津DTG-60型)測試分析不同共混比NR/BR基MRE的熱穩定性，N2氛圍，升溫速率20℃/min，溫度范圍30～600℃。

磁流變效應測試：利用改裝的三思CMT-4254型電子拉力機進行壓縮測試，參照GB/7757—2009進行壓縮測試，應變為4%，不加磁場下，先三次預壓縮，第四次通磁場測試，比較零場和有場下MRE材料應力的變化，測試磁場強度為280 mT磁流變效應定義如下[10]：

式中σmax)B為加磁場下測試的應力，σmax)B=0為零場條件下測得的初始應力。

2 結果與分析

2.1 硫化性能

硫化返原現象的產生主要是因為高溫下交聯網絡中分子鏈段及交聯鍵斷裂所致[12]。共混比對NR/BR共混基MRE硫化特性曲線的影響如圖1所示。由圖中可知，隨著BR含量的升高，MRE的返原性減弱。這是因為BR的分子鏈比NR在高溫下更加穩定，不易斷裂[11]，從而提高了共混基MRE的抗返原性能。

圖1 不同共混比NR/BR的MRE樣品硫化曲線

由表2可知，隨著BR含量的升高，共混基MRE的t10變化不大，t90不斷上升，特別是BR達到50份后時，t90急劇上升。這是因為NR本身硫化時間較短，BR硫化時間的較長，當BR含量較少時，共混膠的硫化時間主要由NR決定，而當BR量達到50份后，共混膠的硫化時間主要由BR決定。此外表2中，共混膠的最大轉矩（MH）和最大轉矩與最小轉矩之差（MH-ML）都隨著BR量的增多而增大，這是因為共混膠中BR相中的硫化劑遷移到NR相中，彌補了NR相交聯鍵的斷裂，提高了體系的交聯密度，從而提高了共混膠的M和

表2 不同共混比NR/BR的MRE樣品硫化時間

2.2 物理機械性能

表3為不同NR/BR基MRE力學性能數據，由表可知，NR的拉伸性能優于BR的拉伸，這是因為NR拉伸過程中會發生應變誘導結晶，而BR不具有這一性質，從而使NR的拉伸強度明顯優于BR[13]。隨著BR含量的升高，共混MRE的硬度不斷增加，拉伸強度下降，斷裂伸長率上升。

2.3 微觀結構

磁性顆粒在基體中的排布是影響材料磁流變性能的重要因素[14]。圖2為不同共混比NR/BR基MRE掃描電鏡圖，由圖中可以看出，磁性顆粒在基體中發生了取向。隨BR含量的增加，體系的黏度（MH-ML）增加。當BR含量超過25%后，共混膠的ML急劇增加，使得羰基鐵粉在基體中的取向困難，導致NR/BR共混膠（NR/BR=25/100除外）的磁流變性能低于純NR 。

表3 不同共混比NR/BR的MRE樣品力學性能

圖2 不同共混比NR/BR的MRE樣品掃描電鏡圖

2.4 磁流變性能

圖3為不同共混比的NR/BR基MRE磁流變性能圖。由圖可知，相對磁流變效應的順序為NR/BR=75/25＞ NR/BR=100/0＞ NR/BR=0/100＞ NR/BR=50/50＞ NR/BR=25/75， 在 NR/BR 為 75/25時，磁流變效應最大，較單獨的NR和BR分別提高了27.8%和43.3%。共混基MRE中隨著BR量的增加，材料的磁流變性能下降。這是因為，一方面共混膠中當NR含量超過25%時，共混膠的體系黏度（ML）不斷上升，羰基鐵粉在基體中取向困難；另一方面，NR和BR形成相分離[15]，共混體系中存在一定的界面阻力，同樣導致磁性顆粒取向困難，從而導致其磁流變性能下降。

圖3 不同共混比NR/BR的MRE樣品磁流變性能

2.5 熱穩定性

圖4和表4分別為不同共混比NR/BR基MRE的TG、DTG曲線圖及其TG數據。從圖可知，純NR和BR分別出現一個失重峰，而共混膠出現兩個失重峰。其中330～450℃主要是NR的分解溫域，450～500℃主要是BR的分解溫域，隨著BR含量的增加，MRE的熱分解溫度不斷向高溫方向移動，熱穩定性提高。表明BR的加入提高了NR的熱穩定性。所有的曲線后期略有提升，是由于N2不純導致羰基鐵粉發生氧化所致。

圖4 不同共混比NR/BR的MRE樣品TG、DTG曲線

表4 不同共混比NR/BR的MRE樣品TG數據 ℃

3 結論

（1）隨著MRE中BR含量的升高，NR/BR的硫化速度下降，返原性減弱 。

（2）隨著BR含量的升高，MRE的拉伸強度不斷下降，斷裂伸長率提高，但是熱穩定性增加。

（3）NR/BR為75/25時，共混基MRE的磁流變效應最大，硫化膠的綜合的力學性能較好，具有良好的應用前景。

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