硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)NBR/HSR并用膠的性能影響

婁玉玉，趙桂英，李蘭勖，王恒

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

白炭黑具有超強(qiáng)的黏附力、抗撕裂和耐熱老化性能，是橡膠工業(yè)最重要的補(bǔ)強(qiáng)劑之一；其良好的補(bǔ)強(qiáng)性及純白、透明等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在家用電器、文體用品等生活領(lǐng)域的橡膠制品中也得到了廣泛應(yīng)用。

由于白炭黑內(nèi)部的聚硅氧烷和外表面存在的活性硅醇基使其呈親水性，在橡膠中難以濕潤(rùn)和分散，影響了其補(bǔ)強(qiáng)性；因此需對(duì)白炭黑進(jìn)行表面處理，目的就是改變二氧化硅表面的物化性質(zhì),提高粒子與橡膠分子間相容性,增強(qiáng)填料與聚合物之間交互作用,改善加工工藝性能,提高白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能[1～2]。白炭黑的表面處理劑有很多種，硅烷偶聯(lián)劑處理是常用的方法，就是讓偶聯(lián)劑與白炭黑反應(yīng)，并部分包覆在粉體顆粒表面，可以防止顆粒團(tuán)聚，同時(shí)可以提高與橡膠的界面結(jié)合力。

本文以高性能家用電器配件為研究方向[3]，選用NBR（丁腈橡膠）和HSR（高苯乙烯樹(shù)脂）并用為主體材料，采用WCB（沉淀法白炭黑)為補(bǔ)強(qiáng)劑，研究了幾種硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)NBR/HSR并用膠性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

原料：丁腈橡膠，上海西郊橡膠制品廠產(chǎn)品；HSR，煙臺(tái)世緣橡膠有限公司產(chǎn)品；沉淀法白炭黑，山東海化股份有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560、KH570、KH845；中國(guó)石化南京化工廠；氧化鋅、硬脂酸、硫磺、促進(jìn)劑及防老劑等均為市售產(chǎn)品。

儀器：XK-160型開(kāi)煉機(jī)、QLB-50D/Q型平板硫化機(jī)，均為無(wú)錫第一橡塑廠；GT-M2000-A型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、電腦拉力機(jī)、擺錘式?jīng)_擊彈性儀，均為臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司；阿克隆磨耗機(jī)：江都市精誠(chéng)測(cè)試儀器有限公司；沖片機(jī)CP-25、邵氏硬度計(jì)：江都市試驗(yàn)機(jī)械廠；401-B型熱空氣老化箱，淮安中亞試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 膠料配方

丁腈橡膠，80（質(zhì)量份，下同）；高苯乙烯樹(shù)脂，20；氧化鋅，5；硬脂酸，1.5；硫磺，2.5；促進(jìn)劑，2.5；防老劑，1.2；白炭黑，40；硅烷偶聯(lián)劑分別為：KH-570、KH-560、KH-550及 KH-845。

1.3 試樣制備

先調(diào)節(jié)雙輥開(kāi)煉機(jī)輥距至0.1 mm，加入NBR薄通塑煉5次[4]，待輥溫升到70℃左右，將HSR樹(shù)脂加入兩輥之間，包輥塑化[5]，然后與NBR混合均勻?yàn)椴⒂媚z，調(diào)整輥距并有少量堆積膠；然后加入各種配合劑進(jìn)行混煉；溫度控制30～50℃，在煉膠過(guò)程中，保證每個(gè)配方的混煉工藝及參數(shù)一致，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。

1.4 性能測(cè)試

按GB/T16584—1996測(cè)試膠料的硫化特性；拉伸、撕裂分別按GB/T528—2009、GB/T 529—2008測(cè)試；回彈性采用GB/T1681—2009進(jìn)行測(cè)試；耐磨性按GB/T1689—2006測(cè)試；熱老化試驗(yàn)按GB/T3512—2001進(jìn)行測(cè)試，條件為：70℃×72 h；壓縮性能測(cè)試：采用B型試樣進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)條件為：室溫×72 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料硫化特性的影響

表1為硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料硫化特性影響。

表1 硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料硫化特性影響

表1可以看出，1#、2#、3#、4#配方膠料均具有適宜的焦燒時(shí)間，較快的硫化速度；其中KH-845表面處理白炭黑改性膠的焦燒時(shí)間和工藝正硫化時(shí)間最短，分別為29 s和135 s左右，原因的KH-845為含硫化合物，在對(duì)白炭黑進(jìn)行表面處理，提高其分散性的同時(shí)，含能提供硫原子參與交聯(lián)反應(yīng)，因此硫化速度最快；KH-570和KH-560表面處理白炭黑改性膠的焦燒時(shí)間和工藝正硫化時(shí)間相近；從生產(chǎn)安全操作角度考慮，KH-560和KH-570膠料的硫化特性比較好，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還能夠保證操作的安全性。

2.2 硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料力學(xué)性能的影響

表2為硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料力學(xué)性能的影響。

從表2可見(jiàn)，拉伸強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)椋篕H-570＞KH-845＞KH-550＞KH-560；最大的為KH-570，達(dá)到21.31 MPa；300%定伸應(yīng)力由大到小的順序?yàn)椋篕H-570＞KH-845＞KH-550＞KH-560；最大的為KH-570，達(dá)到12.61 MPa；伸長(zhǎng)率由大到小的順序?yàn)椋篕H-570＞KH-845＞KH-550＞KH-560；最大的為KH-570，達(dá)到467%；最小KH-560為403%；這與偶聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)和分子鏈的柔順性有關(guān)。硬度由大到小的順序?yàn)椋篕H-550＞KH-560＞KH-570=KH-845；最大KH-550，達(dá)到88邵A；最小KH-570和KH-845均為84邵A；撕裂強(qiáng)度由大到小的順序?yàn)椋篕H-845＞KH-550＞KH-560＞KH-570；最大的為KH-845，達(dá)到56.56kN/m；最小的為KH-570，達(dá)到49.03 kN/m。

表2 硅烷偶聯(lián)劑處理白炭黑對(duì)膠料力學(xué)性能影響

2.3 硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料老化性能的影響

圖1～2是硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑膠料老化前與老化后的力學(xué)性能對(duì)比圖。

從圖1中可看出，膠料老化后的拉伸強(qiáng)度和300%定伸應(yīng)力均小于老化前，其中拉伸強(qiáng)度變化最小的是KH570膠料，KH560、KH550及KH845膠料老化前后降幅相差不大，說(shuō)明70℃的老化溫度對(duì)膠料拉伸強(qiáng)度和300%定伸應(yīng)力的影響很小。

圖2可見(jiàn)，老化后的扯斷伸長(zhǎng)率較老化前都有所下降，但扯斷伸長(zhǎng)率的變化不太明顯，老化前后的變化率僅為10%左右；老化后的硬度較老化前都有所增大，KH-550表面處理白炭黑改性膠老化后的硬度值最大，為91邵A，老化后的硬度較老化前增大了3邵A。

2.4 硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料其它性能的影響

表3為硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料其他性能影響的數(shù)據(jù)表。

從表3已看出，KH-845表面處理白炭黑膠料的壓縮永久變形最小[14]；為22%，其抗壓縮性能最好、壓縮永久變形最大的是KH-550，達(dá)到29%，說(shuō)明表面處理劑其膠料的恢復(fù)變形能力有一定的影響；膠料沖擊彈性由大到小的順序?yàn)椋篕H550＞KH560=KH570＞KH845；最小的為KH845，達(dá)到21%，最大KH-550為23%；說(shuō)明硅烷偶聯(lián)劑對(duì)的膠料沖擊彈性影響較小。膠料磨耗體積由小到大的順序?yàn)椋篕H-570＞KH-550＞KH-560＞W(wǎng)CB20+KH-845；最小的為KH-570，達(dá)到0.18 cm3，KH-550次之，為0.22 cm3，最大KH-845為0.38 cm3；說(shuō)明KH-570表面處理的白炭黑膠料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合很緊密，在外力作用下，橡膠表面微觀顆粒不易脫落，降低了膠料的磨耗體積，提高了膠料的耐磨性[6]。

圖1 硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑膠料老化前后的拉伸強(qiáng)度

圖2 硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑膠料老化前后的扯斷伸長(zhǎng)率

表3 不同硅烷偶聯(lián)劑表面處理白炭黑對(duì)膠料其他性能影響

3 結(jié)論

采用硅烷偶聯(lián)劑KH-845表面處理白炭黑，會(huì)縮短N(yùn)BR/HSR并用膠的焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間，影響操作的安全性,膠料的撕裂強(qiáng)度、磨耗體積最大，其壓縮永久變形最小；硅烷偶聯(lián)劑KH-570表面處理白炭黑膠料的拉伸強(qiáng)度、300%定伸應(yīng)力及伸長(zhǎng)率最大，磨耗體積最小；硅烷偶聯(lián)劑對(duì)膠料的彈性影響不大；經(jīng)熱空氣老化試驗(yàn)后，膠料的硬度增加，拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力及伸長(zhǎng)率降低，但整體變化不大；綜合考慮力學(xué)性能、熱老化、耐磨性、彈性及壓縮性能，KH570表面處理白炭黑膠料的綜合性能最優(yōu)，較好地滿足了高性能家用電器配件的性能要求。