王仲耀

（中國航發(fā)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(guān)的材料進(jìn)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(gòu)造，因此丁基橡膠具備優(yōu)異的阻尼功能，還具有較高的密封性與耐化學(xué)材料腐蝕性。但由于丁基橡膠分子構(gòu)造中相關(guān)IP構(gòu)造物質(zhì)含量少，從而使其黏性較低，同時也導(dǎo)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(shí)行相應(yīng)的化學(xué)改進(jìn)加工，對其進(jìn)行性質(zhì)的改進(jìn)。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(jìn)行對比，其他的性質(zhì)改變方式在改良的過程中會導(dǎo)致丁基橡膠內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂，會使丁基橡膠的使用功能下降。本文應(yīng)用氫化鈉（NaH）與馬來酸酐（MAH）對丁基橡膠進(jìn)行性質(zhì)的改進(jìn)，在確保丁基橡膠結(jié)構(gòu)完整與功能不會發(fā)生改變的情況下，制造出改性丁基橡膠。炭黑是橡膠生產(chǎn)過程中需要用到的一種十分關(guān)鍵的補(bǔ)強(qiáng)劑，炭黑的相關(guān)要素的變化會直接影響生產(chǎn)出的橡膠材料的質(zhì)量。本文通過運(yùn)用自行研制的改性丁基橡膠，研究炭黑相關(guān)要素的變化對改性丁基橡膠的影響。

1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)劑，防老劑以及其他的材料均為市售。

1.2 儀器設(shè)備

采用C200E型硫化儀對硫化特性進(jìn)行測定。采用XLL-250型萬能材料試驗(yàn)機(jī)來測定硫化膠的拉伸性能。采用美國公司生產(chǎn)的RPA2000型橡膠分析儀來進(jìn)行性能分析測試。其他設(shè)備如開煉機(jī)、硫化機(jī)、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(jìn)劑M 0.5；S 1，詳見表1。

（2）試樣制備：對MFIIR進(jìn)行塑煉，先在XK-160型雙輥開煉機(jī)上進(jìn)行，再將炭黑及各種助劑與塑煉好的MFIIR進(jìn)行混煉，薄通5次后出片。采C200E型無轉(zhuǎn)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(jù)得出的工藝條件，采用平板硫化機(jī)進(jìn)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(jié)果與討論

2.1 硫化特性

通過對研究數(shù)據(jù)的分析，得出了橡膠的補(bǔ)強(qiáng)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(gòu)造的影響。由表2中前四種實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以了解到，伴隨炭黑使用量的增長，橡膠的相關(guān)數(shù)值也逐漸增長，但是增長的速度逐步降低，使該情況發(fā)生的主要因素是因?yàn)楦男远』鹉z的分子結(jié)構(gòu)增添了新的構(gòu)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(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而構(gòu)成了包容膠，導(dǎo)致能與炭黑進(jìn)行反應(yīng)的橡膠數(shù)量下降。另外可以看到，扭矩與橡膠和炭黑的交聯(lián)程度呈現(xiàn)正比關(guān)系。通過比較表2中后兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，伴隨炭黑直徑的擴(kuò)大，會使改性丁基膠的相關(guān)性能產(chǎn)生改變。其主要原因是隨著炭黑直徑的擴(kuò)大，比表面積降低，膠料與炭黑接觸減少，導(dǎo)致膠料的交聯(lián)時間延長。同時因?yàn)樘亢谥睆降脑黾?，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(xué)性能

物理吸附與化學(xué)結(jié)合是炭黑對橡膠進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的兩種形式。物理吸附就是橡膠內(nèi)部的范德華作用力，而橡膠與炭黑極性基團(tuán)的化學(xué)結(jié)合作用在補(bǔ)強(qiáng)中發(fā)揮重要作用。通過對表3前四號實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，伴隨炭黑使用量的增長，橡膠與炭黑的互相作用力增強(qiáng)，其主要原因是因?yàn)樵诨瘜W(xué)反應(yīng)的過程中，產(chǎn)生包容膠的數(shù)量逐漸增長，導(dǎo)致橡膠內(nèi)部交聯(lián)程度逐漸增加，從而使硫化膠的硬度、拉斷伸長率、撕裂強(qiáng)度等相關(guān)性能產(chǎn)生規(guī)律化的變化。但硫化膠拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)了先增長后降低的趨勢，其主要原因是因?yàn)樘亢诓牧吓c橡膠膠料在進(jìn)行混煉過程中，因相關(guān)因素的影響難以產(chǎn)生完全均衡的混合材料，從而在混煉膠內(nèi)部出現(xiàn)不同成分組成的材料區(qū)，如純橡膠區(qū)、炭黑區(qū)以及凝膠區(qū)。純橡膠區(qū)會對橡膠的彈性能力與形變能力產(chǎn)生一定正向的影響，炭黑區(qū)會導(dǎo)致橡膠的機(jī)械性能出現(xiàn)一定的下滑，凝膠區(qū)會影響硫化膠強(qiáng)度、橡膠的相關(guān)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(qū)產(chǎn)生數(shù)量增長有限，而大多數(shù)情況下會產(chǎn)生更多的炭黑區(qū)，從而影響橡膠的形變能力。

表3 硫化膠的力學(xué)性能

通過對表3中2號、5號與6號實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)伴隨炭黑直徑的擴(kuò)大，會影響橡膠的相關(guān)性能。其主要原因是因?yàn)樘亢谥睆降臄U(kuò)大，會降低橡膠與炭黑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，從而導(dǎo)致改性丁基橡膠難以與炭黑的相關(guān)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)作用。同時因?yàn)榘菽z數(shù)量的降低，交聯(lián)密度的減少，在一定程度上會導(dǎo)致橡膠的形變能力、抗拉扯能力、橡膠的強(qiáng)度與橡膠相關(guān)的性能產(chǎn)生下降的情況。

2.3 硫化膠壓縮生熱性能

硫化膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)摩擦、分子鏈的斷裂與重新組合的情況，就會導(dǎo)致硫化膠產(chǎn)生壓縮生熱的現(xiàn)象。通過對表4前四種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究，可以得到，伴隨炭黑使用量的增長，炭黑會出現(xiàn)團(tuán)聚效應(yīng)。炭黑聚集現(xiàn)象的出現(xiàn)，在相關(guān)外部應(yīng)力的作用影響下，會導(dǎo)致炭黑團(tuán)之間出現(xiàn)摩擦情況，從而導(dǎo)致硫化膠內(nèi)部呈現(xiàn)出升溫的趨勢。通過2號、5號、6號測試結(jié)果可以看出，當(dāng)硫化膠受到較大的壓縮應(yīng)力，產(chǎn)生較大變形的同時不至于產(chǎn)生分子鏈斷裂，從而導(dǎo)致硫化膠產(chǎn)生的熱量會伴隨著炭黑直徑的擴(kuò)大而降低。

表4 硫化膠壓縮生熱性能

3 結(jié)論

1）隨著N330炭黑使用量的增長，橡膠的拉伸強(qiáng)度先增長后降低，而橡膠的其他性能包括硬度、撕裂強(qiáng)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(xiàn)逐漸降低的趨勢。

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