混煉工藝對炭黑/氯丁橡膠/順丁橡膠復合材料性能的影響

高光濤，王巧玲，季承遠，李 安

（青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042）

氯丁橡膠（CR）規整性好，具有結晶性，物理性能良好，且耐油、耐熱、耐燃、耐臭氧、耐酸堿和耐化學試劑，短期可耐120～150 ℃高溫，用途很廣泛[1-3]。但CR耐寒性能差，加工時易粘輥，配合劑分散較困難。順丁橡膠（BR）彈性高，耐寒性能好，玻璃化溫度和結晶溫度低，動態性能好。為改善CR的加工性能，提高橡膠制品的耐寒性能、彈性和動態力學性能，可將其與BR并用。CR與BR并用可打破CR分子結構的規整性，降低結晶速率，改善并用膠的加工性能、耐寒性能和彈性[4-6]。

炭黑作為補強填充劑，還具有增強橡膠耐老化性能的作用，能賦予橡膠磁性、導電性能、阻燃性能等性能，改善橡膠加工工藝性能，并降低成本[7-8]。

鑒于混煉工藝對橡膠性能有比較大的影響[9-10]，本工作以CR/BR并用膠為基體材料、炭黑為補強填料制備炭黑/CR/BR復合材料，探討混煉工藝對復合材料性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

CR，牌號PM40，日本電氣化學公司產品；BR，牌號9000，中國石化北京燕山分公司產品；炭黑N330，美國卡博特公司產品。

1.2 基本配方

CR 70，BR 30，炭黑N330 50，氧化鎂3，氧化鋅 5，硬脂酸 2，環烷油 10，防老劑2，促進劑 2，硫化劑 0.4。

1.3 主要設備和儀器

BL-6175型雙輥開煉機，賽輪精密檢測儀器有限公司產品；MDR2000型無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；HS100T-RTMO-905型平板硫化機，佳鑫電子設備科技（深圳）有限公司產品；GT-GS-MB型硬度計、GT-313-A1型厚度計和GT-505-CBD型炭黑分析儀，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；Zwick/Roell 2005型電子拉力實驗機，德國Zwick/Roell公司產品；MZ-4065型橡膠回彈性實驗機，江蘇明珠試驗機械有限公司產品。

1.4 試樣制備

采用開煉機混煉膠料，輥筒轉速為25 r·min-1，加料溫度為40 ℃，初始輥距為1.6 mm。混煉工藝如表1所示。

表1 開煉機混煉工藝

混煉膠停放規定時間后，采用無轉子硫化儀測得t90。混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為150 ℃×t90。

1.5 性能測試

硫化特性按GB/T 1233—2008測試，炭黑分散性按照ASTM D 2663—2008測試，邵爾A型硬度按GB/T 531—2009測定，回彈值按照GB/T 1681—2009測定，拉伸強度按GB/T 528—2009測定，撕裂強度按GB/T 529—2008測定。

2 結果與討論

2.1 薄通次數

采用混煉工藝1加料順序考察薄通次數對炭黑/CR/BR復合材料性能的影響。

2.1.1 硫化特性

薄通次數對炭黑/CR/BR混煉膠硫化特性的影響如表2所示。

由表2可以看出：隨著薄通次數的增加，炭黑/CR/BR混煉膠的t10略有延長，說明焦燒安全性稍有提高；薄通5次時，FL最小，Fmax和Fmax－FL最大，說明膠料流動性較好，交聯密度和交聯程度最高；薄通10次時，t90和Fmax－FL最小，FL最大，說明此時膠料的硫化速率最大但交聯密度最小、流動性欠佳；薄通15次時，硫化特性參數與薄通5次時相差不大，說明薄通5次時配合劑在基體中分散良好。

表2 薄通次數對炭黑/CR/BR混煉膠硫化特性的影響

2.1.2 物理性能

薄通次數對炭黑/CR/BR復合材料物理性能的影響如表3所示。

表3 薄通次數對炭黑/CR/BR復合材料物理性能的影響

由表3可以看出，隨著薄通次數增加，炭黑/CR/BR復合材料的300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度均呈降低趨勢但降幅不大，拉斷伸長率呈小幅增大趨勢，邵爾A型硬度、100%定伸應力和彈性變化不大。分析認為，薄通5次時，CR、BR及各種配合劑分散相對較均勻，隨著薄通次數的增加，分散性更好，但變化程度較小，因此物理能變化不大。綜合考慮，薄通次數以5次為宜。

2.2 炭黑添加順序

2.2.1 硫化特性

炭黑添加順序對炭黑/CR/BR混煉膠硫化特性的影響如表4所示。

由表4可以看出，與其他混煉工藝相比，采用混煉工藝2的炭黑/CR/BR混煉膠t10最長，t90相對較短，說明膠料焦燒安全期長，加工安全性好，硫化速率快，可以有效節省時間和能源。此外，采用混煉工藝2的混煉膠Fmax和Fmax－FL最大，說明膠料的交聯密度大，交聯程度高。FL比采用混煉工藝1的混煉膠大，說明膠料流動性略差，主要原因是CR是自補強性橡膠，需要的炭黑較非自補強性BR少，混煉工藝2先將炭黑混入BR相中再與CR共混，炭黑在BR相中的含量高，形成的結合膠多，總體補強作用較大。

表4 炭黑添加順序對炭黑/CR/BR混煉膠硫化特性的影響

2.2.2 炭黑分散性

炭黑添加順序對其在炭黑/CR/BR混煉膠中分散性的影響如表5所示。

表5 炭黑添加順序對炭黑/CR/BR混煉膠微觀結構的影響

由表5可以看出，采用混煉工藝2的炭黑/CR/BR混煉膠粒子分散率和粒子總面積最大，粒子平均直徑最小，炭黑形態大小比較均勻，說明炭黑分散性良好。

2.2.3 物理性能

炭黑添加順序對炭黑/CR/BR復合材料物理性能的影響如表6所示。

由表6可以看出：采用混煉工藝2的炭黑/CR/BR復合材料邵爾A型硬度、100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度、撕裂強度最高，主要原因是CR易結晶，自補強性好，其極性分子間的作用力大，內聚能較高；BR分子鏈上無側基，分子鏈柔順好，分子內和分子間的相互作用力弱，內聚能較低，需要補強，混煉工藝2先將炭黑混入BR相中再與CR共混，炭黑在BR相中的含量高，遷移至CR相少，形成的結合膠多，總體補強效果較好，但并用膠的總體強度最終取決于強度較低的相。

表6 炭黑添加順序對炭黑/CR/BR復合材料物理性能的影響

由表6還可以看出，采用混煉工藝4的炭黑/CR/BR復合材料拉斷伸長率最大，主要原因是混煉工藝4先將CR與BR分別與炭黑和環烷油制成母煉膠后再共混，形成聚集體，并作為新的塑性變形源，引發或自身產生塑性形變，韌性提高，從而使拉斷伸長率增大。

3 結論

（1）薄通5次時配合劑在CR/BR并用膠中分散良好；炭黑/CR/BR混煉膠的FL最小，Fmax和Fmax－FL最大，硫化膠物理性能變化不大。

（2）與其他3種混煉工藝相比，采用先將炭黑混入BR相中再與CR共混的混煉工藝2的炭黑/CR/BR混煉膠t10最長，t90相對較短，Fmax和Fmax－FL最大；炭黑分散性較好；硫化膠綜合物理性能較好。