趙 蔚1,吳友平1,黃 希1,張立群1, 2(1·北京化工大學(xué)北京市新型高分子材料制備與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;2·北京化工大學(xué)教育部納米材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029 )
摘要:研究了用1份(質(zhì)量,下同)或2份黏土替代5份或10份炭黑對炭黑/黏土/丁苯橡膠納米復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明,用少量黏土非等量替代炭黑后,復(fù)合材料的物理機(jī)械性能變化不大;復(fù)合材料的耐磨性能隨炭黑用量的減少而降低,耐屈撓疲勞性能隨黏土用量增加而提高。當(dāng)炭黑與黏土的填充量分別為45份和2份時(shí),復(fù)合材料的物理機(jī)械性能和動(dòng)態(tài)生熱與填充50份炭黑時(shí)相當(dāng)。
關(guān)鍵詞:炭黑/黏土/丁苯橡膠納米復(fù)合材料;物理機(jī)械性能;耐磨性能;耐屈撓疲勞;動(dòng)態(tài)生熱
中圖分類號:TQ 333·1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號: 1000-1255(2007)01-0047-03
炭黑作為傳統(tǒng)的納米填料,其對橡膠制品高增強(qiáng)的地位是難以取代的[1],但橡膠制品要想獲得優(yōu)異的綜合性能,僅靠炭黑的單一增強(qiáng)作用往往不夠。目前,將少量其他填料與炭黑并用以獲取高性能的研究已有很多,如將三氧化二鋁和炭黑并用可以提高材料的抗?jié)窕?降低材料的滾動(dòng)阻力[2];在載重車或工程機(jī)械輪胎胎面膠中添加1~3份(質(zhì)量,下同)芳香聚酰胺短纖維,可以顯著改善材料的滯后和生熱性能[3]等?！、偌{米級黏土在橡膠中主要用于橡膠制品的納米改性,與炭黑不同的是黏土具有獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu),可以賦予材料良好的抗撕裂性能及氣體阻隔性能等[4~8]。本工作用1或2份黏土替代5份或10份炭黑,考察少量黏土與高份數(shù)炭黑并用對丁苯橡膠物理機(jī)械性能、耐磨耗性能、耐屈撓疲勞性能及耐壓縮疲勞性能的影響,并與純炭黑填充膠料的性能進(jìn)行了對比,以期為黏土在輪胎胎面膠中的應(yīng)用提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1·1 原材料
生產(chǎn)丁苯橡膠1502用丁苯膠乳為吉林化學(xué)工業(yè)公司產(chǎn)品;鈉基蒙脫土,吉林省四平市膨潤土廠產(chǎn)品。其他材料均為市售品。
1·2 配 方
配方1(質(zhì)量份,下同) 丁苯膠乳100,氧化鋅3,硬脂酸1,防老劑1,促進(jìn)劑1,硫黃1·75,高芳烴油10,炭黑N 234/黏土的用量分別為60/0,55/2, 50/4, 55/1, 50/2。配方2 丁苯膠乳100,氧化鋅5,硬脂酸2,防老劑1,促進(jìn)劑1·8,硫黃1·6,高芳烴油10,炭黑N 234/黏土的用量分別為50/0或45/2。
1·3 試樣制備
將500 g鈉基蒙脫土與10 L去離子水混合,強(qiáng)烈攪拌5 h后沉降24 h以上,獲得穩(wěn)定的懸浮液,棄去沉淀,測定固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)后,取一定量懸浮液加入到攪拌釜中,加入少量改性劑攪拌5 min,再加入丁苯膠乳攪拌15 min,絮凝洗滌, 50℃下干燥,得到黏土/丁苯橡膠納米復(fù)合材料母膠。塑煉后的母膠在開煉機(jī)上加入各種配合劑,混煉膠停放8 h后在平板硫化機(jī)上硫化,條件為溫度150℃,時(shí)間取正硫化時(shí)間。
1·4 性能測試
物理機(jī)械性能 根據(jù)GB 528—1998測試,拉伸速率500 mm/min, 21℃。
耐磨性能 用MH-74型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)按照GB 1689—1989進(jìn)行磨耗試驗(yàn),試驗(yàn)里程1·61 km,取2或3次測量數(shù)據(jù)的平均值。耐屈撓疲勞性能 用北京化工機(jī)械實(shí)驗(yàn)廠生產(chǎn)的XP-16型德墨西亞屈撓試驗(yàn)機(jī)測試。將試樣固定在試驗(yàn)機(jī)上,同一試樣的個(gè)數(shù)為3個(gè),下夾持器的往復(fù)頻率為每分鐘(300±10)次,每104次停機(jī)進(jìn)行檢查,記錄出現(xiàn)初級裂口的次數(shù),取3次結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)值。
動(dòng)態(tài)生熱 用YS-25型壓縮疲勞試驗(yàn)機(jī)按照GB 1687—1993測試,環(huán)境溫度為55℃,時(shí)間為25 min。
2 結(jié)果與討論
作為橡膠的增強(qiáng)劑,黏土與炭黑在許多方面存在明顯差異:黏土與炭黑的形狀系數(shù)不同,黏土為片層結(jié)構(gòu),形狀系數(shù)大;黏土與炭黑同橡膠基質(zhì)的界面結(jié)合作用也不同,炭黑同橡膠基質(zhì)的界面結(jié)合要明顯優(yōu)于黏土[9];黏土與炭黑的密度不同,炭黑為1·85 g/cm3,黏土為2·65 g/cm3,所以在同樣的質(zhì)量填充量下,兩者在橡膠基質(zhì)中的體積填充量不同。因此,本工作首先考察了黏土替代不同量炭黑對復(fù)合材料物理機(jī)械性能、耐磨性能和耐屈撓疲勞性能的影響,從而確定合適的黏土對炭黑的替代量,再進(jìn)一步考察材料的物理機(jī)械性能和耐壓縮疲勞性能等。
2·1 黏土替代量的影響
分別用1或2份黏土替代5份炭黑,考察少量黏土的加入對復(fù)合材料性能的影響。
2·1·1 物理機(jī)械性能
由表1可以看出,在2種替代比下,用黏土替代炭黑時(shí)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的變化不大,除50/4外,撕裂強(qiáng)度的變化也不大。但加入黏土之后,復(fù)合材料的扯斷伸長率都有一定幅度的增加,并且隨黏土用量的增加而增加, 300%定伸應(yīng)力則隨黏土用量的增加而降低。這是由于黏土與橡膠間的界面作用比炭黑與橡膠間的界面作用弱,以及黏土的用量低于炭黑用量的緣故。當(dāng)采用2份黏土替代5份炭黑時(shí)復(fù)合材料的邵爾A硬度基本上
保持不變,這是由于黏土片層的高形狀系數(shù)所致?？傮w看來,以2份黏土替代5份炭黑時(shí),丁苯橡膠/炭黑/黏土納米復(fù)合材料的物理機(jī)械性能與純炭黑填充者相當(dāng)。
2·1·2 耐磨性能
純炭黑填充硫化膠的阿克隆磨耗量為0·032 cm3, 55/2與55/1兩種硫化膠的磨耗量相當(dāng),分別為0·037 cm3和0·040 cm3,比純炭黑填充的有所增加;而50/4與50/2硫化膠的磨耗量分別為0·058 cm3和0·049 cm3,與純炭黑填充者相比明顯增加?？梢钥闯鎏亢诘挠昧吭降?復(fù)合材料的磨耗量越大;炭黑用量相同時(shí),復(fù)合材料的磨耗量隨黏土用量的增加略有增加,但變化不大。分析原因可能是因?yàn)轲ね僚c橡膠基質(zhì)的界面結(jié)合不好,且黏土的形狀系數(shù)較大,易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,所以加入黏土之后材料的耐磨性能略有下降。
2·1·3 耐屈撓疲勞性能
由表2可以看出,復(fù)合材料的耐屈撓疲勞性能隨黏土用量的增加而顯著增強(qiáng)。如前所述,黏土具有遠(yuǎn)大于炭黑的形狀系數(shù),所以在屈撓疲勞測試中,在循環(huán)應(yīng)力的作用下,可以沿應(yīng)力方向取向,且可以使初級裂紋沿其邊緣分裂,從而起到劈分裂紋的目的。因此,雖然黏土與橡膠基質(zhì)的界面結(jié)合弱于炭黑,且較炭黑更易發(fā)生應(yīng)力集中,但在較小的用量下,黏土沿應(yīng)力方向上的取向和劈分裂紋的作用更強(qiáng)。所以,隨黏土用量的增加,復(fù)合材料的耐屈撓疲勞性能顯著增強(qiáng);當(dāng)黏土用量一致時(shí),復(fù)合材料的耐疲勞性能隨炭黑用量增加有所降低。
2·2 兩種復(fù)合材料的性能比較
由表1可知5種復(fù)合材料的邵爾A硬度都明顯偏高,所以將炭黑的用量降低了10份。由表1還可發(fā)現(xiàn),當(dāng)用2份黏土替代5份炭黑時(shí),復(fù)合材料的物理機(jī)械性能和耐磨性能變化不大,同時(shí)耐屈撓疲勞壽命增加,因此將炭黑/黏土為45/2的復(fù)合材料與50/0的純炭黑填充復(fù)合材料的物理機(jī)械性能和動(dòng)態(tài)生熱進(jìn)行了比較(見表3)。由表3可以看出,用2份黏土替代5份炭黑后,復(fù)合材料的邵爾A硬度有所降低, 300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率及撕裂強(qiáng)度等變化不大。另外,用黏土替代炭黑后,復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)生熱和相應(yīng)的壓縮永久變形略有下降。
3 結(jié) 論
a)用1份或2份黏土分別替代5份炭黑,同時(shí)炭黑的替代量分別為5份和10份時(shí),炭黑/黏土/丁苯橡膠納米復(fù)合材料與純炭黑增強(qiáng)材料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度相差不大; 300%定伸應(yīng)力有所降低,扯斷伸長率提高。復(fù)合材料的耐磨性能隨炭黑用量的減少而下降,耐屈撓疲勞性能隨黏土用量的增加而增強(qiáng)。
b)當(dāng)炭黑與黏土的用量為45/2時(shí),復(fù)合材料的物理機(jī)械性能和動(dòng)態(tài)生熱與填充50份炭黑者相當(dāng)。
