改性白炭黑補強天然橡膠的性能研究

付 文，蘇紹昌，王 麗

（廣東石油化工學院 高分子系，廣東 茂名 525000）

自20世紀初橡膠補強作用被發現后，炭黑一直作為橡膠工業最主要的補強填料[1]。但最新的研究表明，利用白炭黑替代炭黑作為橡膠補強劑，可以賦予橡膠一些更好的性能，如低的滾動阻力和動態生熱等，從而達到節能減排、安全環保的目的[2]。白炭黑粒徑小、易團聚，直接加入橡膠中存在均勻分散問題，補強效果不好。因此，白炭黑需要進行改性后才能在橡膠工業中發揮其性能優勢[3]。本工作利用偶聯劑Si69對白炭黑進行表面改性，研究改性白炭黑對天然橡膠（NR）性能的 影響。

1 實驗

1.1 原材料

NR，煙膠片，越南產品；沉淀法白炭黑，福建遠翔化工有限公司產品；偶聯劑Si69、氧化鋅、硬脂酸、防老劑4010NA、操作油、促進劑DM和硫黃均為市售工業品。

1.2 配方

NR 100，白炭黑或改性白炭黑 50，氧化鋅 5，硬脂酸 2，操作油 6，防老劑4010NA 1，硫黃 2，促進劑DM 1。

1.3 主要設備和儀器

QM-3SP型行星球磨機，南京萊步科技實業有限公司產品；XK-150型開煉機，廣東湛江機械廠產品；GT-M2000型無轉子硫化儀、GT-TCS-2000型拉力試驗機、GT-7011-D型屈撓試驗機和GT-7012-D型耐磨試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品；KSH-R100型平板硫化機，東莞市科盛實業有限公司產品；LX-A型硬度測試儀，上海險峰電影機械廠產品；LEO1530VP型掃描電子顯微鏡（SEM），德國LEO公司產品；Vector-22型紅外光譜儀，德國Bruker公司產品；RPA2000型橡膠加工分析儀（RPA），美國阿爾法科技有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 改性白炭黑

將白炭黑與偶聯劑Si69按質量比10∶1投入行星球磨機中球磨45 min后出料，即得到改性白 炭黑。

1.4.2 白炭黑或改性白炭黑填充NR硫化膠

將開煉機輥距調至約2 mm，加入NR，塑煉8 min后，依次加入防老劑、白炭黑或改性白炭黑、操作油、氧化鋅、硬脂酸、促進劑和硫黃。每加一種小料，待吃料完全后左右各切刀4次；然后打三角包和薄通各7次后出片；停放16 h后在平板硫化機上硫化，硫化條件為150 ℃/16 MPa×（t90＋2 min）。

1.5 測試分析

（1）動態力學性能。應變掃描測試條件：頻率 1 Hz，溫度 60 ℃，應變范圍 0～400%。溫度掃描測試條件：升溫速率 3 ℃·min-1，頻率 1 Hz，氣氛 氮氣，溫度范圍 －70～＋90 ℃。

（2）其他性能均按相應的國家標準測試。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1所示為白炭黑改性前后的紅外光譜，樣品經甲苯48 h抽提以除去其中未參與反應的偶聯劑Si69。

（八）開展草食牲畜技術培訓情況 在2010年和2011年各開展肉牛冷凍精液人工授精技術培訓一次，每次培訓人數均為28人。2011年在文復、和順、滄溝等9個鄉鎮開展牛羊養殖技術培訓會21次，累計培訓超過2 000人次。培訓內容主要包括：市場行情分析、飼養管理、圈舍改造的必要性和重要性、飼草青貯技術、肉牛人工授精的優點、疫病防控和國家相關政策等內容。

圖1 白炭黑改性前后的紅外光譜

從圖1可以看出，3 435 cm-1處為Si—OH的不對稱伸縮振動峰，1 120 cm-1處為Si—O—Si的不對稱伸縮振動峰，948 cm-1處為Si—OH的彎曲振動峰，而800 cm-1處為Si—O基團的伸縮振動峰。對比白炭黑改性前后的紅外光譜可以發現，白炭黑改性后在1 120 cm-1處的出峰強度明顯增大，這是因為偶聯劑Si69與白炭黑表面的硅羥基發生反應生成了Si—O—Si鍵。

2.2 硫化特性

白炭黑改性前后NR膠料的硫化曲線和硫化特性參數（150 ℃）分別如圖2和表1所示。

從圖2和表1可以看出，白炭黑改性后膠料的t10稍延長，而t90縮短。這表明添加偶聯劑Si69改性白炭黑的膠料加工安全性和硫化效率均有提升。一般來講，FL反映膠料的加工流動性，Fmax－FL則反映膠料的交聯密度[4]。從圖2可以看出：改性白炭黑膠料的轉矩曲線一直處于未改性白炭黑膠料之下，這是因為白炭黑經偶聯劑Si69改性后，改善了其在橡膠中的分散性，形成更少的填料三維網格結構；但改性白炭黑膠料的Fmax－FL卻大于未改性白炭黑膠料，這是因為偶聯劑Si69中含有可以參與硫化交聯反應的—S4—基團，從而引起膠料的交聯密度增大[5]。

圖2 白炭黑改性前后NR膠料的硫化曲線

表1 白炭黑改性前后NR膠料的硫化特性參數

2.3 物理性能

白炭黑改性對NR硫化膠物理性能的影響如表2所示。

表2 白炭黑改性對NR硫化膠物理性能的影響

從表2可以看出：白炭黑改性后膠料的300%定伸應力、拉伸強度、撕裂強度和耐磨性能均有大幅提升，這是因為改性白炭黑在橡膠基體中的分散性提高，與橡膠基體的相容性改善，這點從結合膠含量增大可以看出；拉斷伸長率雖減小，但仍達到了586%，減小的原因可歸結為交聯密度增大；耐2級裂口屈撓性能提高，但對于提高耐6級裂口屈撓性能幫助不大。

2.4 動態力學性能

2.4.1 應變掃描

一般來講，添加到橡膠基體中的超細填料會因表面效應而相互聚集成簇。當填料用量超過一定體積分數時，團簇會相互聚集形成三維網絡結構，宏觀表現為混煉膠的剪切儲能模量（G′）明顯增大；而當混煉膠受到一定的應變作用時，填料三維網絡結構被破壞，從而導致G′減小，這就是Payne效應[6]。因此，混煉膠的G′在一定程度上反映了填料在橡膠基體中的聚集分散狀況。

白炭黑改性前后NR混煉膠的G′隨應變的變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著應變的增大，兩種混煉膠均表現出一定程度的Payne效應，這是由于填料三維網絡結構隨應變增大而被破壞所致。但改性白炭黑混煉膠的G′總是小于同等條件下未改性白炭黑混煉膠，這說明白炭黑經改性后在橡膠基體中的分散更均勻，生成了更少的填料三維網絡結構。

圖3 白炭黑改性前后NR混煉膠的G′-應變曲線

白炭黑改性前后NR硫化膠的儲能模量（E′）和損耗因子（tanδ）隨溫度的變化曲線如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，與未改性白炭黑硫化膠相比，改性白炭黑硫化膠在低溫區表現出更高的E′，這是由于改性白炭黑與橡膠基體的相互作用力增大，從而增強了硫化膠的整體韌性，使E′增大。從圖4（b）可以看出，改性白炭黑膠料的玻璃化溫度（Tg）較未改性白炭黑膠料稍有提高，說明白炭黑改性后在一定程度上限制了高分子鏈段的熱運動，這可能是因為偶聯劑Si69中的—S4—參與了硫化反應，從而增大了硫化膠的交聯密度。此外，改性白炭黑膠料在0～80 ℃時的tanδ-溫度曲線均處于未改性白炭黑膠料下方，表明改性白炭黑膠料的滾動阻力和動態生熱性能稍有改善，但抗濕滑性能也略有下降。

圖4 白炭黑改性前后NR硫化膠的溫度掃描曲線

白炭黑改性前后硫化膠拉伸斷面的SEM照片如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，未改性白炭黑硫化膠的斷面界面相對清晰和平整，說明其填料與基體的界面作用較弱，在外力作用下的斷裂破壞發生在兩相之間的界面上。從圖5（b）可以看出，改性白炭黑硫化膠的拉伸斷面褶皺明顯，表明偶聯劑Si69的加入對于提高白炭黑與橡膠基體的相互作用 有益[7]。

另外，從圖5（a）中還可看到照片表面出現了一些突出小白點，而圖5（b）則很少。用SEM自帶的能譜儀對這些小白點進行掃描分析，結果如圖6所示。從圖6可以看出，顆粒的成分主要為C，Si，O，Zn和Au。Si和O為白炭黑的主要成分，C應為橡膠分子鏈，Zn應為ZnO帶入，Au則為噴金時帶入。綜合分析，該小白點應為白炭黑的團聚體。

圖5 白炭黑改性前后NR硫化膠拉斷面的SEM照片

圖6 白炭黑填充NR硫化膠拉伸斷面的電子能譜

綜合比較圖5（a）和（b）可以得出，不加改性劑時白炭黑在橡膠基體中的分散性不好，團聚相對嚴重，而加入改性劑后能在一定程度上改善其在橡膠基體中的分散性。

3 結論

（1）加入偶聯劑Si69改性白炭黑的膠料加工安全性和硫化效率提升，硫化膠的300%定伸應力、拉伸強度、撕裂強度、耐磨性能和耐2級裂口屈撓性能提高。

（2）與未改性白炭黑膠料相比，改性白炭黑膠料的滾動阻力和動態生熱性能略有改善，但抗濕滑性能略有下降；SEM分析表明，改性白炭黑在橡膠基體中的分散性及其與橡膠基體的相容性 改善。