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原位改性三元乙丙橡膠炭黑混煉膠與天然橡膠共混膠的性能

   時(shí)間:2022-01-11 來(lái)源:橡膠助劑網(wǎng)發(fā)表評(píng)論

齊興國(guó),李榮勛,王進(jìn),楊軍,劉光燁,(1.青島科技大學(xué)新材料研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266042; 2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

在天然橡膠(NR)與三元乙丙橡膠(EPDM )共混膠中,NR與EPDM的主要差別在于不飽和度及對(duì)硫黃硫化體系的反應(yīng)性。硫化過(guò)程中硫化劑向著硫化活性較高的NR相遷移,使EPDM相難以得到足夠的交聯(lián)。使用過(guò)氧化物與硫黃的復(fù)合硫化體系已使NR/EPDM共混膠具有了較好的綜合性能。另外,通過(guò)對(duì)EPDM的化學(xué)改性}5-B]、添加第3組分作相容劑、對(duì)EPDM進(jìn)行預(yù)處理等方法均可以提高NR/EPDM共混膠的物理機(jī)械性能。本工作利用偶聯(lián)劑既能作為炭黑的表面處理劑、又能作為橡膠硫化劑的特點(diǎn),對(duì)EPDM炭黑混煉膠進(jìn)行原位改性,目的是在增強(qiáng)炭黑與EPDM親和力的同時(shí),使偶聯(lián)劑在高溫下游離出能與EPDM中的二烯單元反應(yīng)的活性硫,以使EPDM能夠生成硫化反應(yīng)的中間產(chǎn)物甚至形成交聯(lián)鍵。將原位改性后的EPDM炭黑混煉膠與NR并用時(shí),由于EPDM與炭黑的親和力增強(qiáng),炭黑在硫化過(guò)程中的遷移得到控制;偶聯(lián)劑與EPDM的活性反應(yīng)可以改善EPDM炭黑混煉膠與NR的共硫化性,使共混膠形成更多的兩相界面間交聯(lián),進(jìn)而達(dá)到改善NR/EPDM共混膠物理機(jī)械性能的目的。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原材料

NR,1#標(biāo)準(zhǔn)膠,廣東省湛江農(nóng)墾局提供;EPDM,牌號(hào)NDR 4640,美國(guó)Du Pont公司產(chǎn)品;偶聯(lián)劑Si一69,南京曙光化工集團(tuán)有限公司產(chǎn)品;其他原材料和助劑均為橡膠工業(yè)常用品。

1. 2基本配方

EPDM炭黑混煉膠EPDM 100份(質(zhì)量,下同),高耐磨爐黑40份,氧化鋅5. 0份,硬脂酸2. 0份,偶聯(lián)劑Si一69 3. 0份。

NR炭黑混煉膠NR 100份,高耐磨爐黑40份,氧化鋅5. 0份,硬脂酸2. 0份。

NR/EPDM共混膠NR/EPDM 100份,高耐磨爐黑40份,氧化鋅5. 0份,硬脂酸2. 0份,不溶性硫黃2. 0份,促進(jìn)劑CZ 1. 0份,偶聯(lián)劑Si一69的用量隨NR/EPDM共混比的變化而改變。

1. 3主要儀器和設(shè)備

XSK一160型開(kāi)煉機(jī),上海橡膠機(jī)械一廠生產(chǎn);Lab一Station加工性能測(cè)試儀,德國(guó)Brabender公司生產(chǎn);YH 33一50型50 t四柱油壓平板硫化機(jī),江西萍鄉(xiāng)無(wú)線電專用設(shè)備廠生產(chǎn);UR 2030型無(wú)轉(zhuǎn)子流變儀,臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司生產(chǎn);QT/10型電子拉力機(jī),美國(guó)MTS公司生產(chǎn);LX -A型硬度計(jì),上?;C(jī)械四廠生產(chǎn);DMTA一IV型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)儀,美國(guó)Rheometric Sci-entific公司生產(chǎn);;S-3000 N型掃描電子顯微鏡(SEM),日本Hitachi公司生產(chǎn)。

1. 4制備工藝

炭黑混煉膠用常規(guī)方法分別制備NR和EPDM炭黑混煉膠。

EPD.M炭黑混煉膠的原位改性將一定量EPDM混煉膠置于加工性能測(cè)試儀中(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r/min ) ,160℃下處理5 min制得原位改性EPDM炭黑混煉膠。

NR/EPDM共混膠將NR和EPDM炭黑混煉膠及原位改性的EPDM炭黑混煉膠分別按一定比例混合,按配方制備各種NR/EPDM共混膠。

共混膠的硫化將NR/EPDM共混膠停放24 h后,在平板硫化機(jī)上于160℃硫化制樣。

1. 5分析與測(cè)試

硫化特性用無(wú)轉(zhuǎn)子流變儀測(cè)試硫化特性,溫度為160℃,擺角為100物理機(jī)械性能試樣的拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力及扯斷伸長(zhǎng)率按GB/T 528-1998測(cè)試(I型試樣,其厚2 mm,拉伸截面寬6 mm,拉伸速率為500 mm/min);邵爾A硬度按GB/T 531-1999測(cè)試。

DMA將2. 5 cm x 0. 2 cm x 1. 0 cm的硫化膠試樣置于DMA儀上分析,測(cè)試條件為頻率10 Hz,溫度一80一30℃,升溫速率3 `C/min0表面形態(tài)分析用日本產(chǎn)佳能A 560型數(shù)碼相機(jī)以45。角拍攝硫化膠的表面形貌。

SEM分析將硫化膠拉伸斷裂試樣表面真空噴金后用SEM觀察(電壓5 kV )

2結(jié)果與討論

2.1 EPDM炭黑混煉膠的硫化特性

由圖1可以看出,EPDM炭黑混煉膠的轉(zhuǎn)矩在0一6 min時(shí)出現(xiàn)過(guò)一個(gè)最小值,稍微升高后,6 min后再次呈減小趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中流變儀沒(méi)有計(jì)算出膠料的焦燒時(shí)間(( ts1和ts2 ),說(shuō)明0-6 min時(shí)膠料的轉(zhuǎn)矩變化并不是由于膠料的硫化反應(yīng)誘導(dǎo)期引起的,而是由于偶聯(lián)劑與炭黑的相互作用所致。同時(shí),氧化鋅、硬脂酸和偶聯(lián)劑在高溫下相互作用,偶聯(lián)劑被活化并開(kāi)始與EPDM反應(yīng),硫化反應(yīng)處于誘導(dǎo)期階段,這期間偶聯(lián)劑與EPDM的作用會(huì)生成一些EPDM多硫化合物,達(dá)到改性EPDM的目的。

2. 2未改性EPDM炭黑混煉膠與NR共混膠的性能

2. 2.1硫化特性

從表1可以看出,隨EPDM用量的增加,NR/EPDM共混膠的ts1、ts2和正硫化時(shí)間(t90)延長(zhǎng),最小轉(zhuǎn)矩(ML)增大,而最大轉(zhuǎn)矩(M)卻隨EP-DM的增加而減小。

EPDM的硫化誘導(dǎo)期和達(dá)到正硫化的時(shí)間都較長(zhǎng),所以共混膠隨EPDM的增加其ts1、ts2和t90延長(zhǎng)。但在NR/EPDM并用比為50/50(質(zhì)量比,下同)時(shí),膠料的t90為3. 83 min,而EPDM的ts2達(dá)到了3. 68 min,因此在流變儀計(jì)算出的50/50共混膠的硫化時(shí)間內(nèi),EPDM相幾乎沒(méi)有發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。大量存在的未硫化EPDM在共混膠中以高分子增強(qiáng)劑的形式存在,起到了增塑作用;共混膠中的EPDM越多,未硫化膠也隨之增多,致使共混硫化膠的MH減小。

2. 2. 2物理機(jī)械性能

從表1還可以看出,NR/EPDM共混硫化膠的300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度隨EPDM的增加而減小,扯斷伸長(zhǎng)率和邵爾A硬度在NR/EPDM為50/50時(shí)分別出現(xiàn)最小值和最大值。在以NR為連續(xù)相的共混膠中,當(dāng)NR達(dá)到正硫化時(shí),EPDM相還處于硫化誘導(dǎo)期,從而導(dǎo)致共混膠中絕大部分的硫化劑和炭黑參與到NR相的交聯(lián)反應(yīng),共混膠中NR相的交聯(lián)密度高于相同硫化配方的純NR,致使共混膠在EPDM為25份時(shí)便具有較高的硬度。同時(shí)未硫化的EPDM作為高分子填充劑分散于NR的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中,使共混硫化膠在承載應(yīng)力時(shí)形成更多的應(yīng)力集中點(diǎn),導(dǎo)致其拉伸性能較差。而共混膠的扯斷伸長(zhǎng)率和邵爾A硬度在NR/EPDM為50/50時(shí)分別出現(xiàn)最小值和最大值,則說(shuō)明NR相在此處開(kāi)始由連續(xù)相向分散相過(guò)渡。而在EPDM為連續(xù)相的共混膠中,NR相具有更高的交聯(lián)密度,但由于EPDM相嚴(yán)重欠硫,未交聯(lián)的EPDM占多數(shù),過(guò)交聯(lián)的NR相分散于EPDM相中,故兩相間不存在界面交聯(lián);又由于NR與EPDM不相容,因此兩相間也不存在足夠的界面張力,所以NR/EPDM為25/75試樣的物理機(jī)械性能遠(yuǎn)劣于EPDM 。

2. 3原位改性EPDM炭黑混煉膠與NR共混膠的性能

2. 3.1硫化特性

從表2可以看出,NR和NR/EPDM為75/25試樣的ML與MH值接近,但由于后者中EPDM的存在,膠料的抗硫化返原能力明顯提高。隨EPDM用量的增加,NR/EPDM共混膠的ts1、ts2和t90延長(zhǎng),ML增大,而MH則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

對(duì)比表1和表2中的數(shù)值,其較明顯的差別是在NR中并用25份改性的EPDM后,共混膠的ML和MH減小,而改性前卻都是增大的。這說(shuō)明改性后EPDM作為分散相能更好地分散于NR中,微觀上分散相的尺寸減小了,同時(shí)使硫化劑和炭黑的遷移得到有效抑制,從而使NR不會(huì)有較大程度的過(guò)硫。另外,改性后EPDM的ts1、ts2和t90均縮短,這說(shuō)明Sl一69與EPDM在高溫下發(fā)生了活性反應(yīng),而EPDM活性的提高能夠使其與NR的共混膠在硫化過(guò)程中具有更多相界面交聯(lián)的機(jī)會(huì)。

2. 3. 2物理機(jī)械性能

從表2還可以看出,改性EPDM炭黑混煉膠與NR共混膠的拉伸性能相對(duì)于改性前有較大程度的提高。在NR/EPDM為50/50這一最能體現(xiàn)NR和EPDM各自性質(zhì)的并用比下,改性后共混硫化膠的拉伸強(qiáng)度提高了5. 9 MPa。這表明共混膠中有更多的EPDM參與了共硫化反應(yīng),相界面間的交聯(lián)度增加,同時(shí)未硫化的EPDM也能作為分散相更為均勻地分散于共混膠中,使硫化膠相與未硫化膠相的界面張力得以增強(qiáng)。在硬度方面,并用了25份改性EPDM共混膠的邵爾A硬度相對(duì)于NR的提高幅度僅為1,這也說(shuō)明共混膠中硫化劑和炭黑的遷移得到了抑制,NR相的過(guò)硫現(xiàn)象得到了有效控制。

2. 4 DMA

由圖2可以看出,改性EPDM炭黑混煉膠的損耗因子(tanδ要大于未改性的,儲(chǔ)能模量(E' )在低溫區(qū)大于未改性的,但在高溫下沒(méi)有明顯差別。tanδ的這種增大表明改性后的EPDM與炭黑間的親和性得以改善。而EPDM改性前后與NR以50/50并用的共混膠,在-40℃處分別出現(xiàn)了不明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)轉(zhuǎn)變區(qū),該區(qū)為NR相的Tg轉(zhuǎn)變區(qū)。共混膠中出現(xiàn)2個(gè)相互靠近的Tg轉(zhuǎn)變區(qū),說(shuō)明在該硫化體系下NR與EPDM部分相容,但EPDM炭黑混煉膠的改性使共混膠具有了更寬的Tg范圍,且具有更大的tanδ值及較寬的損耗峰0這些都說(shuō)明針對(duì)EPDM炭黑混煉膠的原位改性提高了共混膠的相容性。

2. 5表面形態(tài)分析

圖3為EPDM改性前后NR/EPDM ( 50/50)共混硫化膠試樣的表面形態(tài)照片??梢钥闯?,改性前試樣表面存在大量的氣泡,而改性后的表面光滑平整。由于NR與EPDM的硫化相容性差,混煉和硫化過(guò)程中硫化劑和炭黑的遷移加劇了NR與EPDM的硫化不相容性,使未完全硫化的EPDM不能很好地分散于已硫化完全的NR橡膠相中,所以共混硫化膠試樣表面出現(xiàn)氣泡,且截面有明顯的分層現(xiàn)象。而EPDM炭黑混煉膠經(jīng)原位改性后,硫化劑和炭黑的遷移得到抑制,未完全硫化的EPDM會(huì)以炭黑凝膠的形式分散于已硫化完全的NR橡膠相中,與硫化膠的親和力增強(qiáng),所以能夠得到外觀良好的硫化膠試樣。

2. 6 SEM分析

從圖4可以看出,未改性時(shí)EPDM在NR/EPDM中的分散狀態(tài)很差,存在破損的表面;改性后的試樣斷面具有更為均勻的構(gòu)造和外觀,具有較未改性時(shí)高得多的致密程度。這說(shuō)明EPDM炭黑混煉膠經(jīng)原位改性后與NR的硫化相容性得到顯著改善。

3結(jié)論

       a)用偶聯(lián)劑Si一69改性的EPDM炭黑混煉膠在高溫下的一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生深度的交聯(lián)反應(yīng),且在高溫混煉過(guò)程中以Si - 69與炭黑間的反應(yīng)為主。

b)由于NR與EPDM存在硫化不相容性,用硫黃硫化體系硫化時(shí)NR/EPDM共混膠的物理機(jī)械性能較差;而將EPDM炭黑混煉膠經(jīng)原位改性后,由于硫化劑和炭黑在混煉和硫化過(guò)程中的遷移得到抑制,使共棍膠的物理機(jī)械性能明顯改善。

c)改性后NR/EPDM為50/50的共混硫化膠具有更寬的T:范圍、更大的tanδ值及更寬的損耗峰,說(shuō)明NR與EPDM的硫化相容性得以提高。

d)表面形態(tài)和SEM分析均表明,改性后的EPDM炭黑混煉膠具有與NR更好的硫化相容性。

 
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