倪露萍，許海燕，吳馳飛(華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237)
摘要：研究混煉工藝對(duì)丁苯橡膠(SBR)/順丁橡膠(BR)/白炭黑膠料物理性能和結(jié)合膠含量的影響。對(duì)于一次投膠混煉法，橡膠對(duì)白炭黑的潤(rùn)濕效果好，膠料的拉伸強(qiáng)度和結(jié)合膠含量大于分段投膠混煉法膠料。對(duì)于分段投膠混煉法，用貧相橡膠控制結(jié)合膠時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度和結(jié)合膠含量較大;結(jié)合膠含量受生膠種類和并用比以及混煉工藝的共同影響;2種生膠的用量越接近，越容易形成結(jié)合膠，形成結(jié)合膠的白炭黑表面越大;混煉工藝引起的混煉場(chǎng)差異影響結(jié)合膠的生成。
關(guān)鍵詞：混煉工藝;順丁橡膠;丁苯橡膠;白炭黑;結(jié)合膠;物理性能
近年來，為降低輪胎的滾動(dòng)阻力，白炭黑在輪胎膠料中的應(yīng)用研究深受重視。本工作探討混煉工藝對(duì)丁苯橡膠(SBR)/順丁橡膠(BR)/白炭黑膠料物理性能和結(jié)合膠含量的影響。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 原材料
丁苯橡膠(SBR)，牌號(hào)Nipol SBR1502，結(jié)合苯乙烯含量23.5%，日本瑞翁公司產(chǎn)品;順丁橡膠(BR)，牌號(hào)Ubepol BR130B，順式-1，4結(jié)構(gòu)含量96%，日本宇部興產(chǎn)公司產(chǎn)品;白炭黑UltrasilVN3GR和偶聯(lián)劑Si266，德國(guó)德固賽公司產(chǎn)品;操作油NH-60，日本出光興產(chǎn)公司產(chǎn)品;促進(jìn)劑CZ、促進(jìn)劑D、硫黃、氧化鋅、硬脂酸和防老劑4020，江陰海達(dá)橡塑制品有限公司提供;甲苯，分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。
1.2 主要儀器與設(shè)備
哈克轉(zhuǎn)矩流變儀，德國(guó)賽默飛世爾科技有限公司產(chǎn)品;WSM-20KN型拉力機(jī)，長(zhǎng)春智能試驗(yàn)機(jī)研究所產(chǎn)品。
1.3 膠料配方
膠料配方見表1。
1.4 混煉工藝
膠料混煉在哈克轉(zhuǎn)矩流變儀中進(jìn)行，密煉室填充因數(shù)為0.7，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60r·min-1，混煉溫度設(shè)定為125℃。采用2種方法進(jìn)行混煉。
(1)一次投膠混煉法。該法的一段混煉膠由全部生膠、白炭黑、偶聯(lián)劑和白炭黑、1/2小料混煉制成;二段混煉膠由一段混煉膠與剩余1/2小料混煉制成。本研究中一次投膠混煉法簡(jiǎn)稱為一步法。
(2)分段投膠混煉法。該法可以達(dá)到控制結(jié)合膠的目的，所以又稱結(jié)合膠控制方法。一段混煉膠由一種生膠、白炭黑和偶聯(lián)劑、1/2小料混煉制成;二段混煉與一段混煉的密煉室填充量相同，二段混煉膠由一段混煉膠、另一種生膠、剩余1/2小料混煉制成。其中一段混煉投入的生膠稱為結(jié)合膠控制用膠，若其含量超過生膠總量的1/2，則稱為富相控制，反之稱為貧相控制。本研究中SBR與白炭黑先混煉的分段投膠混煉法簡(jiǎn)稱為SBR先混法;BR與白炭黑先混煉的分段投膠混煉法簡(jiǎn)稱為BR先混法。
1.5 性能測(cè)試
(1)膠料物理性能測(cè)試按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
(2)結(jié)合膠含量測(cè)試?；鞜捘z在室溫下停放1個(gè)星期，進(jìn)行抽濾試驗(yàn)：準(zhǔn)確稱取1g混煉膠，用濾紙包好，浸泡于200mL甲苯溶劑中，在30℃下恒溫浸泡45h后取出，通風(fēng)干燥24h至恒質(zhì)量。結(jié)合膠含量由下式計(jì)算。
φB=(m2-m1×φ2)/(m1×φ1)。
式中，φB為結(jié)合膠含量;m1和m2分別為混煉膠抽濾前后的質(zhì)量，φ1和φ2分別為混煉膠中橡膠和炭黑含量。
2 結(jié)果與討論
2.1 物理性能
不同混煉工藝制備的SBR/BR/白炭黑膠料物理性能如表2所示。
從表2可以看出混煉工藝對(duì)膠料拉伸強(qiáng)度的影響。對(duì)于SBR/BR并用比相同而混煉工藝不同的膠料，結(jié)合膠不同，拉伸強(qiáng)度不同。在橡膠的混煉過程中，白炭黑(填料)在橡膠基體中的分散主要為白炭黑的潤(rùn)濕和團(tuán)聚體破裂。一步法膠料的白炭黑潤(rùn)濕效果好，其拉伸強(qiáng)度總體大于分段投膠混煉法膠料。
進(jìn)一步分析得出，當(dāng)貧相橡膠控制結(jié)合膠時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度高于富相橡膠控制結(jié)合膠的膠料，這說明一段混煉中白炭黑與橡膠的用量比顯著影響膠料的物理性能。對(duì)于分段投膠混煉法，一段混煉中加入的橡膠量比一步法小，橡膠對(duì)白炭黑的潤(rùn)濕變差，此時(shí)白炭黑與橡膠的結(jié)合也隨之變差。當(dāng)貧相橡膠控制結(jié)合膠時(shí)，一段混煉中橡膠投入量小，即降低了白炭黑的不良分散程度，從而有利于提高膠料的拉伸強(qiáng)度。結(jié)合膠成分對(duì)膠料拉伸強(qiáng)度影響不是很大，但與控制結(jié)合膠的橡膠用量引起的密煉室混煉條件變化相關(guān)。
從表2還可以看出，BR先混法膠料的抗撕裂性能比SBR先混法膠料好。這說明結(jié)合膠成分對(duì)膠料抗撕裂性能影響較明顯，分子鏈運(yùn)動(dòng)性較好的BR可以得到更好的相界面結(jié)合效果。
2.2 結(jié)合膠含量
不同混煉工藝制備的SBR/BR/白炭黑膠料結(jié)合膠含量見表3。結(jié)合膠是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)性能的基本要素[1]。
從表3可以看出，一步法膠料的結(jié)合膠含量較大，拉伸強(qiáng)度較大;分段投膠混煉法膠料貧相橡膠控制的結(jié)合膠含量總體較大。這是因?yàn)榻Y(jié)合膠一旦形成就很難剝離，而結(jié)合膠表面也不易再包覆異種橡膠[2]，因此貧相橡膠控制結(jié)合膠時(shí)，由于一段混煉中橡膠投入量小，即降低了白炭黑的不良分散程度，有利于二段混煉時(shí)結(jié)合膠形成，增大了膠料整體的結(jié)合膠含量。
當(dāng)SBR/BR并用比為50/50時(shí)，膠料結(jié)合膠含量較大，說明生膠并用比會(huì)影響膠料的混煉效果，在2種生膠用量均衡的條件下更容易生成結(jié)合膠;BR先混的膠料結(jié)合膠含量大于SBR先混的膠料，說明BR與白炭黑的結(jié)合效果更好，這與BR優(yōu)良的潤(rùn)濕性能有關(guān)。SBR/BR/白黑膠料結(jié)合膠含量與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。
從圖1可以看出，結(jié)合膠含量變化趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本相同，說明結(jié)合膠含量與拉伸性能之間是存在一定關(guān)系;但控制結(jié)合膠的膠料與未控制結(jié)合膠的膠料拉伸強(qiáng)度與結(jié)合膠含量之間的關(guān)系并不完全一致。比較3種混煉工藝膠料發(fā)現(xiàn)，不同混煉工藝制備的膠料表現(xiàn)出不同的性能變化規(guī)律。這說明結(jié)合膠含量以及基體橡膠對(duì)膠料的拉伸性能并不是僅有的決定因素。
不同混煉工藝引起的橡膠基體形態(tài)上的變化也可能影響膠料的拉伸性能，膠料的各種界面結(jié)合情況對(duì)其物理性能的影響是重大的。作為白炭黑-橡膠界面的結(jié)合膠，其外層分子鏈的柔順性以及與之相接觸并結(jié)合的基體橡膠分子鏈的柔順性是決定其效能的關(guān)鍵因素。尤其結(jié)合膠的分子鏈，當(dāng)其具有一定的柔順性時(shí)可與基體橡膠分子鏈形成強(qiáng)有力的纏結(jié)和相互滲透，從而形成牢固且厚的界面，與基體良好相容且穩(wěn)定。本研究中白炭黑-橡膠界面在兩相橡膠界面的形成中起到很重要的作用。白炭黑就像兩相橡膠的相容劑一樣，通過結(jié)合膠形成較強(qiáng)、較穩(wěn)定的兩相結(jié)合[3]，而在某種程度白炭黑作為物理交聯(lián)點(diǎn)起穩(wěn)定工藝和補(bǔ)強(qiáng)的作用[4]。因此對(duì)于這個(gè)體系來說，基體橡膠、結(jié)合膠以及共混體系形態(tài)共同影響膠料的拉伸性能。
3 結(jié)論
(1)對(duì)于SBR/BR/白黑膠料，一步法膠料的拉伸強(qiáng)度和結(jié)合膠含量比分段投膠混煉法膠料大，這在于一步法膠料的白炭黑潤(rùn)濕效果好。
(2)在分段投膠混煉中，當(dāng)貧相橡膠控制結(jié)合膠時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度較高，這在于一段混煉時(shí)生膠的投入量較小，白炭黑在基體中的整體分散和結(jié)合效果較好;作為補(bǔ)強(qiáng)基本要素的結(jié)合膠含量越大，越有利于提高膠料的強(qiáng)度。
(3)結(jié)合膠含量受生膠種類和并用比以及混煉工藝的共同影響。2種生膠的用量越接近，越容易形成結(jié)合膠;分子鏈柔順性越好，對(duì)白炭黑的潤(rùn)濕效果越好，形成結(jié)合膠的白炭黑表面越大;混煉工藝引起的混煉場(chǎng)差異影響結(jié)合膠的生成。
(4)基體橡膠、結(jié)合膠以及共混體系形態(tài)共同影響膠料的拉伸性能。
參考文獻(xiàn)：略
