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        白炭黑改性劑對(duì)天然橡膠性能的影響

        2016-07-31 06:38:20李美書(shū)
        橡膠科技 2016年8期
        關(guān)鍵詞:白炭黑偶聯(lián)劑改性劑

        付 文,李美書(shū),王 麗

        (廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院,廣東 茂名 525000)

        1992年米其林率先推出了全用白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)填料的輪胎,該輪胎集環(huán)保性與舒適性于一體,滾動(dòng)阻力下降近30%,節(jié)油率提高7%左右,被稱為綠色輪胎[1-2],白炭黑也成為輪胎工業(yè)中除炭黑外最重要的補(bǔ)強(qiáng)填料。目前白炭黑(特別是沉淀法白炭黑)已成功用于天然橡膠(NR)[3]、環(huán)氧化NR[4]、丁苯橡膠[5]等膠種中。但白炭黑表面含有大量硅羥基使其呈現(xiàn)親水性,從而導(dǎo)致白炭黑在NR等非極性橡膠中難以濕潤(rùn)和分散;其次,白炭黑粒徑小、表面能大,在橡膠基體中易團(tuán)聚形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致膠料粘度大幅上升,加工性能差。針對(duì)以上問(wèn)題,業(yè)內(nèi)提出了多種白炭黑表面改性方法,如硅烷偶聯(lián)劑改性[6]、表面活性劑改性[7]、接枝聚合物改性[8]等,以改善白炭黑在橡膠中的分散性及其與橡膠的相容性。

        偶聯(lián)劑Si69[雙-(γ-三乙氧基硅基丙基)四硫化物]和KH570[γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷]是常用的硅烷偶聯(lián)劑,其一端通過(guò)水解可與白炭黑表面的羥基反應(yīng),另一端可在硫化過(guò)程中與橡膠分子鏈反應(yīng),其改性白炭黑與橡膠以化學(xué)交聯(lián)為主[9]。聚乙二醇(PEG)和十八醇是常見(jiàn)的表面活性劑,其一端可與白炭黑表面羥基反應(yīng),另一端的有機(jī)基團(tuán)與橡膠分子鏈相容性好,其改性白炭黑與橡膠以物理交聯(lián)為主[10]。硅烷偶聯(lián)劑和表面活性劑對(duì)白炭黑的改性機(jī)理如圖1所示。

        圖1 改性劑對(duì)白炭黑的改性機(jī)理

        本工作研究以上硅烷偶聯(lián)劑和表面活性劑作為白炭黑改性劑對(duì)NR性能的影響,為白炭黑在NR中的應(yīng)用和綠色輪胎原材料的選擇提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 主要原材料

        NR,牌號(hào)SVR 3L,越南產(chǎn)品;沉淀法白炭黑,福建遠(yuǎn)翔化工有限公司產(chǎn)品;偶聯(lián)劑Si69和KH570,廣州力本橡膠貿(mào)易有限公司提供;PEG,牌號(hào)2000,天津大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品;十八醇,天津市巴斯夫化工有限公司產(chǎn)品。

        1.2 主要設(shè)備與儀器

        LN-1 L型密煉機(jī),東莞利拿實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品;XK-150型開(kāi)煉機(jī),廣東湛江機(jī)械廠產(chǎn)品;Hakke400P 型哈克轉(zhuǎn)矩流變儀,德國(guó)Thermo Elecron公司產(chǎn)品;GT-M2000型橡膠無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、GT-7011-D型屈撓試驗(yàn)機(jī)和GT-7012-D型耐磨試驗(yàn)機(jī),高鐵檢測(cè)儀器(東莞)有限公司產(chǎn)品;KSH-R100型平板硫化機(jī),東莞市科盛實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品;XY-6074型橡膠沖擊回彈性試驗(yàn)儀,深圳市寶安軒宇儀器有限公司產(chǎn)品;RPA2000橡膠加工分析儀,美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品;Leo1530VP型掃描電子顯微鏡(SEM),德國(guó)LEO公司產(chǎn)品。

        1.3 配方

        A1~A4配方:NR 100,白炭黑 50,改性劑(變品種) 4,氧化鋅 5,硬脂酸 2,防老劑4010NA 1,硫黃 2,促進(jìn)劑DM 1。

        A5配方:除無(wú)改性劑以外,其他組分和用量與A1~A4配方相同。

        1.4 試樣制備

        第1步:NR在密煉機(jī)中塑煉。密煉室初始溫度為室溫,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為33 r·min-1,塑煉時(shí)間為15 min,排膠溫度為110 ℃。

        第2步:膠料一段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行。加料順序?yàn)椋篘R塑煉膠→白炭黑、改性劑和防老劑→左右各割刀5次→打三角包3次→下片。

        第3步:將一段混煉膠放入Hakke400P型哈克轉(zhuǎn)矩流變儀中于120 ℃下處理8 min。

        第4步:膠料二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行。加料順序?yàn)椋簾崽幚砗蟮囊欢位鞜捘z→氧化鋅、硬脂酸、硫黃和促進(jìn)劑→打三角包8次→薄通8次→下片。

        混煉膠停放24 h后在平板硫化機(jī)上硫化,硫化條件為150 ℃/16 MPa×(t90+2 min)。

        1.5 性能測(cè)試

        1.5.1 結(jié)合膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)

        混煉膠在室溫下放置1 d后,稱取(0.5±0.000 2) g,剪成約l mm3試樣,用孔徑23 μm的鋼絲網(wǎng)包裹,放入甲苯中在室溫下浸泡3 d,溶劑每天換1次,然后將試樣干燥至恒質(zhì)量。結(jié)合膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式如下:

        式中,m為結(jié)合膠質(zhì)量分?jǐn)?shù);m1為浸泡前試樣質(zhì)量,g;m2為干燥后試樣質(zhì)量,g;ω1為混煉膠中橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù);ω2為混煉膠中填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

        1.5.2 其他性能

        膠料其他性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 硫化特性

        改性劑對(duì)膠料硫化特性的影響見(jiàn)表1。

        表1 改性劑對(duì)膠料硫化特性的影響

        從表1可以看出:與無(wú)改性劑的膠料相比,添加偶聯(lián)劑Si69和KH570的膠料焦燒時(shí)間延長(zhǎng),添加PEG的膠料焦燒時(shí)間縮短,添加十八醇的膠料焦燒時(shí)間變化不大;添加4種改性劑的膠料硫化速度加快,其中添加PEG的膠料硫化速度最快;添加4種改性劑的膠料FL減小,F(xiàn)L在一定程度上反映了填料之間的相互作用[11],說(shuō)明改性劑會(huì)降低白炭黑填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中添加偶聯(lián)劑Si69和KH570的膠料FL較低;除添加十八醇的膠料外,添加另外3種改性劑的膠料Fmax-FL增大,F(xiàn)max-FL常用來(lái)反映膠料交聯(lián)密度[11],這是由于十八醇作為小分子物質(zhì)只對(duì)膠料起增塑作用,另外3種改性劑膠料交聯(lián)密度提高。

        2.2 物理性能

        改性劑對(duì)膠料物理性能的影響見(jiàn)表2。從表2可以看出:與無(wú)改性劑膠料相比,添加偶聯(lián)劑Si69和KH570的膠料拉伸強(qiáng)度提高,其中添加偶聯(lián)劑Si69的膠料拉伸強(qiáng)度最大,而添加PEG和十八醇的膠料拉伸強(qiáng)度降低;除添加十八醇的膠料外,添加另外3種改性劑的膠料300%定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度和耐磨性能提高,其中添加PEG的膠料300%定伸應(yīng)力最大,添加偶聯(lián)劑KH570的膠料撕裂強(qiáng)度最大,添加偶聯(lián)劑Si69的膠料耐磨性能最好;添加4種改性劑的膠料硬度和拉斷伸長(zhǎng)率降低,其中添加兩種偶聯(lián)劑的膠料拉斷伸長(zhǎng)率降幅較??;添加偶聯(lián)劑Si69的膠料回彈值增大,添加其他3種改性劑的膠料回彈值減??;添加4種改性劑的膠料耐2級(jí)裂口的屈撓性能提高,耐6級(jí)裂口的屈撓性能提高不明顯;除了添加PEG的膠料以外,添加其他3種改性劑的膠料結(jié)合膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,這是因?yàn)閮煞N偶聯(lián)劑和十八醇封閉了白炭黑的部分羥基,改善了白炭黑分散性和白炭黑與橡膠的相容性。

        表2 改性劑對(duì)膠料物理性能的影響

        2.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

        一般而言,當(dāng)超細(xì)填料添加到橡膠基體中后,由于自身表面能的作用相互聚集而形成填料網(wǎng)絡(luò)。填料用量越大,填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效應(yīng)越明顯,混煉膠的剪切模量(G′)提高,反之則G′降低。當(dāng)受應(yīng)變作用時(shí),混煉膠的G′會(huì)隨著應(yīng)變?cè)龃笙认陆刀筅呌诜€(wěn)定[12]。

        改性劑對(duì)膠料(混煉膠)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,與無(wú)改性劑的膠料相比,添加改性劑的膠料G′降低,Payne效應(yīng)明顯減弱,其中添加偶聯(lián)劑KH570和Si69的膠料G′下降幅度較大。這說(shuō)明經(jīng)偶聯(lián)劑改性后,白炭黑在橡膠基體中的分散更均勻,填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更弱;與PEG和十八醇相比,偶聯(lián)劑KH570和Si69更有利于白炭黑在橡膠基體中的分散。

        圖2 改性劑對(duì)膠料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

        2.4 SEM分析

        無(wú)改性劑膠料(硫化膠)拉斷斷面有許多顆粒,其SEM照片見(jiàn)圖3。為鑒別該物質(zhì),用SEM自帶的能譜儀對(duì)該顆粒進(jìn)行元素分析,結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出,無(wú)改性劑膠料斷面顆粒的主要成分為碳、氧、硅、鋅和金。其中,碳為顆粒表面吸附的橡膠分子帶入,鋅為氧化鋅帶入,金為試樣表面噴金帶入,氧和硅為白炭黑主要成分,可以推斷該顆粒為白炭黑粒子。

        圖3 無(wú)改性劑膠料拉斷斷面的SEM照片(放大900倍)

        圖4 無(wú)改性劑膠料拉斷斷面顆粒的能譜

        膠料拉斷斷面的SEM照片見(jiàn)圖5。從圖5可以看出:添加偶聯(lián)劑Si69和KH570的膠料斷面非常粗糙,說(shuō)明填料與橡膠基體界面結(jié)合良好,其中添加偶聯(lián)劑KH570的膠料泡孔較多,這是導(dǎo)致添加偶聯(lián)劑KH570的膠料物理性能不及添加偶聯(lián)劑Si69的膠料原因之一;添加PEG和十八醇的膠料斷面較粗糙,說(shuō)明填料與橡膠基體界面結(jié)合較好;無(wú)改性劑的膠料斷面清晰、平整,說(shuō)明填料與橡膠基體界面作用較弱,在外力作用下兩相之間易斷裂。總的來(lái)看,改性劑有助于改善白炭黑與橡膠基體的相互作用[13]。

        圖5 膠料拉斷面的SEM照片(放大100倍)

        3 結(jié)論

        (1)與無(wú)改性劑膠料相比,添加改性劑的膠料硫化速度加快,F(xiàn)L減小,填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低,其中兩種偶聯(lián)劑膠料的FL較低;兩種偶聯(lián)劑和PEG膠料的Fmax-FL增大,交聯(lián)密度提高。

        (2)與無(wú)改性劑膠料相比,兩種偶聯(lián)劑膠料的拉伸強(qiáng)度提高,兩種表面活性劑膠料的拉伸強(qiáng)均降低;兩種偶聯(lián)劑和PEG膠料的300%定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度和耐磨性能提高;兩種偶聯(lián)劑和十八醇膠料的結(jié)合膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高。

        (3)經(jīng)偶聯(lián)劑改性后,白炭黑在橡膠基體中的分散更均勻,填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更弱。

        總的來(lái)看,改性劑有助于增強(qiáng)白炭黑與橡膠基體的相互作用,偶聯(lián)劑Si69對(duì)白炭黑膠料的改性作用最好。

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