朱龍暉 羅權(華南理工大學材料學院 廣州 510640)
摘要:研究了IIR/CIIR不同并用比和不同炭黑和用量以及軟化劑品種和用量對IIR/CIIR共混硫化膠壓縮彈性模量的影響。結果顯示:當IIR/CIIR并用比為80/20,N220炭黑用量為80份時共混硫化膠有良好的壓縮彈性模量,軟化劑的加入會降低共混硫化膠的壓縮彈性模量。
關鍵詞:丁基橡膠 氯化丁基橡膠 共混 炭黑 壓縮彈性模量
丁基橡膠是以異丁烯為主體和少量異戊二烯首尾相結合的線性無凝膠高分子共聚物。其不飽和度較低,分子鏈柔在性好,彈性高,有良好的減震性、氣密性、液封性和化學穩定性[1],因此丁基橡膠被廣泛應用于汽車內胎、硫化膠囊和減震元件。但是丁基橡膠硫化速度慢,自粘性和互粘性差等缺點。
氯化丁基橡膠主要是由丁基橡膠通過取代反應進行氯化改性,保存于丁基橡膠中的異戊二烯雙鍵,在大分子中仍具有不飽和性。氯化丁基橡膠具有硫化速度快,可與一些通用橡膠進行共混和硫化粘合等優點[2]。
采用氯化丁基橡膠與丁基橡膠并用可以改善丁基橡膠的力學性能和加工性能,同時還可以縮短丁基橡膠的硫化時間,提高并用膠的界面粘合強力。本課題研究了IIR/CIIR并用比、炭黑、軟化劑對IIR/CIIR共混硫化膠的壓縮彈性模量和力學性能的影響,為研制適用于工程需要的阻尼材料提供參考。
1 實驗部分
1·1 主要原材料及配方
丁基橡膠(IIR),型號Polysar301,加拿大Polysar公司產;氯化丁基橡膠(CIIR),型號Exxon1068,美國Exxon公司產;其他配合劑均為國產橡膠工業使用原料。配方:IIR/CIIR 100;炭黑40~90;氧化鋅5;硬脂酸1;硫黃0.5~1.5;促進劑2~3.50;軟化劑0~10。
1·2 儀器與設備
XK-160開煉機,廣東湛江機械廠產,用于塑煉、混煉膠料:MM4130C無轉子硫化儀,北京環峰化工機械實驗廠產,用于測定膠料硫化特性。取T10為膠料的焦燒時間,取T90為膠料的正硫化時間;XLB-D250kN液壓平板硫化機,浙江湖州宏圖機械有限公司產,用于硫化試樣制備。硫化壓力表壓為14.5MPa,硫化時間為T90;AG-10電子拉力機,日本島津產,用于測定試樣壓縮彈性模量和力學性能。
1·3 共混工藝
開煉機輥距調至約1mm,將IIR和CIIR投入開煉機中薄通五次,再調大輥距至2~3mm,讓生膠包輥,先加入氧化鋅、硬脂酸,待包輥膠表面光滑后,再交替加入炭黑和軟化劑,最后加入硫黃和促進劑。待膠料混合均勻后,再將輥距調到1mm薄通,打三角包5次,打卷5次。調大輥距2.5~3.5mm,下料。混煉時用冷卻水保持輥溫為40~50℃,出片,停放8小時待用。翻煉,調小輥距至1m,打三角包、打卷各5次,調大輥距至2.5mm出片。
1·4 壓縮試樣制備
在開煉機上翻煉停放過的共混膠,再按模具型腔圓柱體尺寸打卷,切取合適長度卷膠送入模具硫化后即為測試試樣。試樣模具型腔是尺寸為Φ29mm、h12.5mm的圓柱型[3]
1·5 壓縮模量測試
壓縮模量在AG-10電子拉力機上進行。選取一組四個表面光滑無缺陷的上下面平行的試樣。先將壓縮裝置的上下托盤的表面涂上硅油以保證壓縮過程中試樣保持豎直受力。試驗時將拉力機拉伸速度調到10mm/min,將試樣置于托盤正中央。分別輸入記錄壓縮量為圓柱體高度5%、10%、15%時的應力的設定。
壓縮彈性模量計算式為[3]:
E=F/(Aε)
E———壓縮彈性模量,MPa;
F———壓縮力,N;
A———試樣初始橫截面積,mm2;
ε———壓縮應變,%。
2 結果與討論
2·1 并用比對IIR/CIIR共混化膠的壓縮彈性模量的影響
不同IIR/CIIR并用比的共混硫化膠的壓縮彈性模量如圖1所示。
從圖1可以看出,隨著IIR/CIIR并用膠中IIR用量的增大,硫化膠壓縮彈性模量隨著增大;且曲線的斜率隨著IIR用量的增大而增加,可見丁基橡膠含量對共混硫化膠壓縮彈性模量影響隨IIR用量的增加變得更加明顯。
不同并用比的IIR/CIIR共混硫化膠的力學性能如圖2所示。從圖2可見,共混硫化膠的拉伸強度,扯斷伸長率和硬度隨著IIR用量的增加而增加,而300%定伸應力隨著IIR用量的增加反而呈下降趨勢。作者研究發現當IIR/CIIR為80/20地并用膠具有最優的綜合力學性能,這與休順雄等人[4]的研究結果相符合。因此,以下的研究均采用IIR/CIIR并用比為80/20。
從圖2的極限情況可以看出,丁基橡膠的性能略優于氯化丁基橡膠。力學性能在IIR/CIIR為80/20時達到最佳值,可能是因為在這個共混比時,兩種橡膠達到一定程度的相容和共硫化程度,這能使共混硫化膠的物理機械性能達到最優狀態。
2·2 炭黑對IIR/CIIR共混硫化膠壓縮彈性模量與力學性能的影響
2·2·1 炭黑品種的影響
不同炭黑填充的IIR/CIIR并用硫化膠的壓縮彈性模量和力學性能如表1所示。從表1可以看到所選的幾種炭黑和沉淀白炭黑所填充的并用硫化膠的壓縮彈性模量相差不大,但是WCB(沉淀白炭黑)的為高,而N754的為低。
從表1還可看到不同炭黑對共混硫化膠力學性能的貢獻是不相同的。如填充N220的共混硫化膠,拉伸強度最高,達到18.2MPa;扯斷伸長率為640%。
炭黑對橡膠的補強作用和炭黑粒子大小,炭黑結構性,化學活性和表面化學性質方面有關[5]。如N220炭黑,其表面含氧基團含量較高,對橡膠分子鏈產生較強的化學吸附作用,使炭黑表現出極大的活性,從而獲得較好的力學性能在所研究的炭黑中,其粒徑大小順序為N754>N660>N550>N330>N220。一般來說粒徑越小,比表面積越大,活性點越多,結合橡膠數量越多,力學性能也就越好。結構性高的炭黑如N220,粒徑最小,為20~25nm,因此經其補強的共混硫化膠的力學性能就比其他炭黑更好一些;而N550、N660、N754等結構性低的炭黑粒子較粗,在橡膠中的分散性差,容易形成尺寸較大的炭黑聚集體,損害橡膠的力學性能。值得注意的是,雖然沉淀白炭黑補強的力學性能比其他炭黑補強差些,但是壓縮彈性模量異常的高,這些內容將另文報道。
2·2·2 炭黑用量的影響
N220的不同用量對共混硫化膠壓縮彈性模量和力學性能的影響分別如圖3、圖4所示。從圖3可以看到壓縮彈性模量隨炭黑用量增加而增加。這是由于高補強性炭黑的加入使IIR/CIIR共混體系的剛性提高了,用量越多剛性提高越大。因此,壓縮彈性模量隨炭黑用量的增加而增加。這與圖4中的300%定伸應力,硬度在所研究的40~90份炭黑用量范圍內隨炭黑用量的增加而增加相一致。從圖4看到,N220用量在40~60份時,拉伸強度基本保持在相當的水平上,這是由于IIR/CIIR具有自補強性能。當炭黑用量不大時,對其拉伸強度影響不大。
但當炭黑用量超過60份后,隨著炭黑用量增加,拉伸強度下降了。扯斷伸長率也下降,而300%定伸應力和硬度隨炭黑用量增加而提高。
炭黑與橡膠的結合反應包括物理吸附和化學結合。物理吸附是范德華力,而炭黑表面的活性點與橡膠鏈的化學反應形成的炭黑凝膠是炭黑補強橡膠的主要因素。炭黑在橡膠中非均勻分布形成純橡膠區、炭黑凝膠區和炭黑區域。純橡膠區賦予硫化膠彈性、變形和伸長能力;炭黑凝膠與硫化膠強度、彈性模量和耐磨耗性能有關;而未分散的炭黑聚集體對硫化膠的機械性能起負面作用。當加入炭黑量在較小范圍內時,由于炭黑含量少,產生凝膠少,主要結構還是純橡膠區。因此硫化膠主要體現純橡膠的優良彈性,變形和伸長能力。而炭黑凝膠所體現的硫化膠強度,彈性模量和耐磨耗性能很低;隨著炭黑含量的增加,炭黑凝膠數量不斷增加,因此硫化膠拉伸強度,壓縮彈性模量都提高了;炭黑用量再增加,炭黑的分散程度隨炭黑含量增加而變差,過多的炭黑在橡膠中形成未分散的炭黑聚集體,對硫化膠機械性能起負面作用,從而導致部分物理機械性能的下降。
2·3 軟化劑對IIR/CIIR共混硫化膠壓縮彈性模量及力學性能的影響
2·3·1 軟化劑品種的影響
軟化劑對IIR/CIIR混煉膠加工性能有明顯的改善。常用幾種軟化劑對IIR/CIIR共混硫化膠的壓縮彈性一和力學性能如表2所示。從表2可以看出,添加不同軟化劑的IIR/CIIR共混硫化膠壓縮彈性模量相差不大,與空白試樣也相差不大,這可能是由于軟化劑用量不大而炭黑用量較高的原因。添加軟化劑之后300%定伸應力。拉伸強度,邵A硬度都有不同程度的下降,但是扯斷伸和率提高了。
2·3·2 軟化劑用量的影響
不同用量的凡士林對IIR/CIIR共混硫化膠壓縮彈性模量的影響如圖5所示。從圖5看到隨著凡士林用量的增加,共混硫化膠的壓縮彈性模量隨著下降。這是由于凡士林的加入降低了共混體系的剛性,使其壓縮彈性模量也相應降低。凡士林的用量越大,其剛性下降越大,壓縮彈性模量下降也越大。圖6是凡士林用量對共混硫化膠力學性能的影響。從圖6看出,共混硫化膠的拉伸強度、300%定伸應力、邵A硬度都隨凡士林用量的增加而呈下降趨勢;只有扯斷伸長率隨凡士林用量增加而提高了。凡士林加入到橡膠中后使橡膠溶脹,橡膠分子間距離增大,分子之間引力減小,鏈與鏈之間相對滑動性增加,粘度減小,流動性增大,從而使膠料塑性增加。而相當多的凡士林分子在硫化后殘留在硫化膠中繼續起潤滑作用,因此降低了硫化膠硬度和定伸應力[6]
