炭黑對改性丁基橡膠性能的影響

王仲耀

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

在一定的溫度條件下通過陽離子聚合加工對相關的材料進行合成，從而制造出丁基橡膠。丁基橡膠具有較高的對稱性構造，因此丁基橡膠具備優異的阻尼功能，還具有較高的密封性與耐化學材料腐蝕性。但由于丁基橡膠分子構造中相關IP構造物質含量少，從而使其黏性較低，同時也導致需要高溫硫化以及硫化時間過長的缺陷。因此為了提升丁基橡膠的使用范圍，就要對其實行相應的化學改進加工，對其進行性質的改進。改性方式主要有鹵化、馬來酸酐、磺化等改良方式。與鹵化改性方式進行對比，其他的性質改變方式在改良的過程中會導致丁基橡膠內部分子結構產生斷裂，會使丁基橡膠的使用功能下降。本文應用氫化鈉（NaH）與馬來酸酐（MAH）對丁基橡膠進行性質的改進，在確保丁基橡膠結構完整與功能不會發生改變的情況下，制造出改性丁基橡膠。炭黑是橡膠生產過程中需要用到的一種十分關鍵的補強劑，炭黑的相關要素的變化會直接影響生產出的橡膠材料的質量。本文通過運用自行研制的改性丁基橡膠，研究炭黑相關要素的變化對改性丁基橡膠的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

改性丁基橡膠，自制炭黑，硬脂酸，氧化鋅，硫磺，促進劑，防老劑以及其他的材料均為市售。

1.2 儀器設備

采用C200E型硫化儀對硫化特性進行測定。采用XLL-250型萬能材料試驗機來測定硫化膠的拉伸性能。采用美國公司生產的RPA2000型橡膠分析儀來進行性能分析測試。其他設備如開煉機、硫化機、硬度計等采用市場普遍銷售的品牌。

1.3 試樣制備

（1）基本配方（phr）：MFIIR 100；氧化鋅5；硬脂酸1；防老劑A 1.5；促進劑M 0.5；S 1，詳見表1。

（2）試樣制備：對MFIIR進行塑煉，先在XK-160型雙輥開煉機上進行，再將炭黑及各種助劑與塑煉好的MFIIR進行混煉，薄通5次后出片。采C200E型無轉子橡膠硫化儀測定混煉膠的硫化特性，測試前需要在室溫下停放12h以上。根據得出的工藝條件，采用平板硫化機進行硫化。

表1 膠料配比

1.4 性能測試

采用GB/16584—1996測定膠料的硫化特性，采用GB/T531—2008測定硫化膠的邵爾A硬度，采用GB/T528—2009測定硫化膠的拉伸性能，采用GB/T529—2008測定硫化膠的撕裂性能，采用GBl687—1993測定壓縮生熱性能。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

通過對研究數據的分析，得出了橡膠的補強性能在一定程度上受到炭黑使用量、炭黑微粒直徑以及炭黑表面其他構造的影響。由表2中前四種實驗結果可以了解到，伴隨炭黑使用量的增長，橡膠的相關數值也逐漸增長，但是增長的速度逐步降低，使該情況發生的主要因素是因為改性丁基橡膠的分子結構增添了新的構造，同時隨著炭黑使用量的增長，會使一部分改性丁基橡膠與炭黑的相關結構產生影響，從而構成了包容膠，導致能與炭黑進行反應的橡膠數量下降。另外可以看到，扭矩與橡膠和炭黑的交聯程度呈現正比關系。通過比較表2中后兩種實驗結果可以得到，伴隨炭黑直徑的擴大，會使改性丁基膠的相關性能產生改變。其主要原因是隨著炭黑直徑的擴大，比表面積降低，膠料與炭黑接觸減少，導致膠料的交聯時間延長。同時因為炭黑直徑的增加，會使橡膠與炭黑的作用面降低，在一定程度上影響了扭矩差。

表2 混煉膠硫化性能

2.2 力學性能

物理吸附與化學結合是炭黑對橡膠進行補強的兩種形式。物理吸附就是橡膠內部的范德華作用力，而橡膠與炭黑極性基團的化學結合作用在補強中發揮重要作用。通過對表3前四號實驗結果進行分析，可以發現，伴隨炭黑使用量的增長，橡膠與炭黑的互相作用力增強，其主要原因是因為在化學反應的過程中，產生包容膠的數量逐漸增長，導致橡膠內部交聯程度逐漸增加，從而使硫化膠的硬度、拉斷伸長率、撕裂強度等相關性能產生規律化的變化。但硫化膠拉伸強度出現了先增長后降低的趨勢，其主要原因是因為炭黑材料與橡膠膠料在進行混煉過程中，因相關因素的影響難以產生完全均衡的混合材料，從而在混煉膠內部出現不同成分組成的材料區，如純橡膠區、炭黑區以及凝膠區。純橡膠區會對橡膠的彈性能力與形變能力產生一定正向的影響，炭黑區會導致橡膠的機械性能出現一定的下滑，凝膠區會影響硫化膠強度、橡膠的相關模量以及橡膠的抗耐磨能力。伴隨著炭黑使用量的增長，凝膠區產生數量增長有限，而大多數情況下會產生更多的炭黑區，從而影響橡膠的形變能力。

表3 硫化膠的力學性能

通過對表3中2號、5號與6號實驗結果進行分析，發現伴隨炭黑直徑的擴大，會影響橡膠的相關性能。其主要原因是因為炭黑直徑的擴大，會降低橡膠與炭黑發生化學反應的區域，從而導致改性丁基橡膠難以與炭黑的相關分子結構進行化學作用。同時因為包容膠數量的降低，交聯密度的減少，在一定程度上會導致橡膠的形變能力、抗拉扯能力、橡膠的強度與橡膠相關的性能產生下降的情況。

2.3 硫化膠壓縮生熱性能

硫化膠內部結構一旦出現摩擦、分子鏈的斷裂與重新組合的情況，就會導致硫化膠產生壓縮生熱的現象。通過對表4前四種實驗結果進行研究，可以得到，伴隨炭黑使用量的增長，炭黑會出現團聚效應。炭黑聚集現象的出現，在相關外部應力的作用影響下，會導致炭黑團之間出現摩擦情況，從而導致硫化膠內部呈現出升溫的趨勢。通過2號、5號、6號測試結果可以看出，當硫化膠受到較大的壓縮應力，產生較大變形的同時不至于產生分子鏈斷裂，從而導致硫化膠產生的熱量會伴隨著炭黑直徑的擴大而降低。

表4 硫化膠壓縮生熱性能

3 結論

1）隨著N330炭黑使用量的增長，橡膠的拉伸強度先增長后降低，而橡膠的其他性能包括硬度、撕裂強度、壓縮生熱溫差都會逐漸增長。

2）隨著N330炭黑使用量的增長，橡膠的拉斷伸長率出現逐漸降低的趨勢。

3）伴隨著炭黑粒徑的增長，硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度、壓縮生熱溫差逐漸降低。