刘吉超,邓 涛
(青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东 青岛 266042)
丁腈橡胶(NBR)的体积电阻率(单位为Ω·cm)数量级为109~1010,在半导体体积电阻率范围内,因此NBR可以称为半导体类橡胶材料,具有抗静电作用。随着NBR中丙烯腈(ACN)含量增大,其抗静电性能提高[1]。NBR主要用于制造纺织皮辊、皮圈等抗静电橡胶制品以及胶管、胶带、胶辊、胶囊等耐油橡胶制品[2]。
改性碳纳米管(CNTs)具有特殊的电学性质,导电性能良好,这是由于CNTs上碳原子的P电子形成大范围的离域π键,共轭效应显著[3]。CNTs的导电性能取决于其管径和管壁螺旋角。CNTs还具有较好的补强性能,可以提高胶料的物理性能。
本工作将改性CNTs加到NBR中,以提高胶料的抗静电性能,生产抗静电性能优异且耐油性能良好的橡胶制品。
NBR,牌号240s,日本电气化学公司产品;改性CNTs,山东大展纳米材料有限公司产品;炭黑N330,卡博特炭黑有限公司产品;白炭黑,赢创工业集团产品;其他材料均为橡胶工业常用原材料。
NBR,100;氧化锌,5;硬脂酸,2;防老剂RD,1;促进剂NOBS,1.1;硫黄,2;补强填充剂,变品种(碳酸钙、白炭黑、炭黑N330),40;改性CNTs,变量。
在不同补强体系胶料的0~5号配方中改性CNTs用量分别为0,1,2,3,4,5份。
X(S)160A型双辊开炼机,青岛化工机械厂产品;GT-M2000-A型密闭模无转子硫化仪、AI-7000M型电子拉力试验机、GT-7010-AR型气压自动切片机,台湾高铁科技股份有限公司产品;LCM-3C2-G03-LM型平板硫化机,深圳佳鑫电子设备科技有限公司产品;LX-A型橡胶硬度计,上海六中量仪厂产品;MZ-4060型DIN磨耗机,江苏明珠实验机械有限公司产品;PC68型高阻计,上海精科天美科学仪器有限公司产品;DTC-25型导热仪,美国TA公司产品;HD-10型橡胶测厚仪,上海化工机械四厂产品;TD6001型称料天平,余姚市金诺天平仪器有限公司产品。
胶料在开炼机上混炼,混炼工艺为:生胶→薄通→氧化锌、硬脂酸、防老剂→补强填充剂→改性CNTs→硫化剂和促进剂→薄通→混炼均匀,下片。停放16 h后返炼。
用平板硫化机硫化试样,硫化条件为170 ℃×t90,压力10 MPa。
导热性能以硫化胶在25 ℃下的热扩散率和导热系数表征;胶料其他物理性能均按相关国家标准进行测试。
改性CNTs用量对碳酸钙补强填充体系NBR硫化特性的影响如表1所示。从表1可以看出:随着改性CNTs用量增大,碳酸钙补强填充体系NBR的MH-ML增大,说明在碳酸钙补强填充体系NBR中加入改性CNTs可以提高胶料的硫化程度;与T0配方胶料相比,T1~T5配方胶料的t90明显延长,说明在碳酸钙补强填充体系NBR中加入改性CNTs导致胶料硫化时间延长,但随着改性CNTs用量增大,胶料的t90呈缩短的趋势。
表1 改性CNTs用量对碳酸钙补强填充体系NBR硫化特性的影响
改性CNTs用量对白炭黑补强填充体系NBR硫化特性的影响如表2所示。从表2可以看出:随着改性CNTs用量增大,白炭黑补强填充体系NBR的MH-ML呈增大趋势,说明在白炭黑补强填充体系NBR中加入改性CNTs可以提高胶料的硫化程度;胶料的t90呈缩短趋势,说明在白炭黑补强填充体系NBR中加入改性CNTs可以促进硫化。
表2 改性CNTs用量对白炭黑补强填充体系NBR硫化特性的影响
改性CNTs用量对炭黑N330补强填充体系NBR硫化特性的影响如表3所示。从表3可以看出:随着改性CNTs用量增大,炭黑N330补强填充体系NBR的MH-ML增大,说明在炭黑N330补强填充体系NBR中加入改性CNTs能够提高胶料的硫化程度;胶料的t90呈延长趋势,说明在炭黑N330补强填充体系NBR中加入改性CNTs可以使硫化时间延长。
表3 改性CNTs用量对炭黑N330补强填充体系NBR硫化特性的影响
改性CNTs用量对不同补强填充体系NBR物理性能的影响如图1~6所示。
图1 改性CNTs用量对NBR硬度的影响
图2 改性CNTs用量对NBR 100%定伸应力的影响
图3 改性CNTs用量对NBR拉伸强度的影响
图4 改性CNTs用量对NBR拉断伸长率的影响
图5 改性CNTs用量对NBR撕裂强度的影响
图6 改性CNTs用量对NBR磨耗量的影响
从图1可以看出,随着改性CNTs用量增大,炭黑N330、碳酸钙、白炭黑3种补强填充体系NBR的硬度均呈增大趋势,3种补强填充体系NBR的硬度从大到小依次为白炭黑、炭黑N330、碳酸钙。
从图2可以看出,改性CNTs可以提高NBR的100%定伸应力,并且随着改性CNTs用量增大,3种补强填充体系NBR的100%定伸应力均逐渐增大。
从图3可以看出:3种补强填充体系NBR的拉伸强度从大到小依次为白炭黑、炭黑N330、碳酸钙;随着改性CNTs用量增大,碳酸钙补强填充体系NBR的拉伸强度逐渐增大,白炭黑补强填充体系和炭黑N330补强填充体系NBR的拉伸强度缓慢下降,这说明加入改性CNTs对白炭黑补强填充体系和炭黑N330补强填充体系NBR拉伸性能的影响不明显。
从图4可以看出,随着改性CNTs用量增大,3种补强填充体系NBR的拉断伸长率呈逐渐减小趋势,其中,白炭黑补强填充体系NBR的拉断伸长率明显大于其他2种补强填充体系NBR的拉断伸长率,碳酸钙补强填充体系和炭黑N330补强填充体系NBR的拉断伸长率相近。
从图5可以看出,随着改性CNTs用量增大,3种补强填充体系NBR的撕裂强度均呈逐渐增大的趋势,3种补强填充体系NBR的撕裂强度从大到小依次为白炭黑、炭黑N330、碳酸钙。
从图6可以看出,改性CNTs用量增大对3种补强填充体系NBR的DIN磨耗量影响不大。
改性CNTs用量对不同补强填充体系NBR表面电阻率(ρs)和体积电阻率(ρv)的影响如表4所示。从表4可以看出:在碳酸钙补强填充体系和白炭黑补强填充体系NBR中,改性CNTs用量变化对NBR的ρs和ρv影响较小,ρs和ρv均无数量级的变化,变化规律不明显,分析认为在这2种补强填充体系NBR中不存在可供电子传导的导电通路,即加入改性CNTs后没有可以连接的导电通路;炭黑N330补强填充体系NBR的ρs和ρv小于另外2种补强填充体系NBR,并且随着改性CNTs用量增大,ρs和ρv明显减小,有数量级的变化,这说明在NBR中分散的炭黑N330形成了良好的导电通路,改性CNTs可以连接这些通路,起到很好的导电作用,且改性CNTs用量增大,导电效果增强。
表4 改性CNTs用量对不同补强填充体系NBRρs和ρv的影响
改性CNTs用量对不同补强填充体系NBR热扩散率和导热系数的影响如表5所示。从表5可以看出:随着改性CNTs用量增大,3种补强填充体系NBR的热扩散率和导热系数逐渐增大,导热性能提高;炭黑N330补强填充体系NBR的热扩散率最大,另外2种补强填充体系NBR的热扩散率相近;白炭黑补强填充体系NBR的导热系数增幅最大,变化最明显,另外2种补强填充体系NBR的导热系数略有增大。
表5 改性CNTs用量对不同补强填充体系NBR热扩散率和导热系数的影响
(1)随着改性CNTs用量增大,碳酸钙补强填充体系和白炭黑补强填充体系NBR的MH-ML增大,t90缩短;炭黑N330补强填充体系NBR的MH-ML增大,t90延长。
(2)随着改性CNTs用量增大,3种补强填充体系NBR的硬度、100%定伸应力和撕裂强度呈增大趋势,3种补强填充体系NBR硬度和撕裂强度从大到小依次为白炭黑、炭黑N330、碳酸钙;碳酸钙补强填充体系NBR的拉伸强度增大,白炭黑补强填充体系和炭黑N330补强填充体系NBR的拉伸强度缓慢下降,3种补强填充体系NBR拉伸强度从大到小依次为白炭黑、炭黑N330、碳酸钙;3种补强填充体系NBR的拉断伸长率减小,白炭黑补强填充体系NBR的拉断伸长率明显高于其他2种补强填充体系NBR;3种补强填充体系NBR的DIN磨耗量变化不大。
(3)改性CNTs用量增大对碳酸钙补强填充体系和白炭黑补强填充体系NBR的ρs和ρv影响较小,ρs和ρv均无数量级的变化,变化规律不明显;炭黑N330补强填充体系NBR的ρs和ρv均明显减小,且均小于另外2种补强填充体系NBR,导电效果增强。
(4)随着改性CNTs用量增大,3种补强填充体系NBR的热扩散率和导热系数均增大,导热性能提高,炭黑N330补强填充体系NBR的热扩散率最大。