纳米凹凸棒土在丁腈橡胶中的应用研究

王国志，刘晓蕾，姚 亮，侯亚合，张雪松

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140）

凹凸棒土（AT）是一种多孔、层状的水合镁铝硅酸盐，其比表面积大，吸附作用较强，在低浓度下可以形成高粘度的悬浮液[1-2]。AT储量丰富、价格低廉、用途广泛。随着纳米技术的快速发展，AT原矿粒径可以处理到纳米级。当AT粒径达到纳米级时，其理化性能大幅提升。但纳米粉体比表面积大，容易团聚，要达到良好的分散性，必须对其表面改性。AT以纳米级单晶形式分散到聚合物中能提高聚合物的综合性能。

丁腈橡胶（NBR）的耐油性能和耐热老化性能优异[3]，其大量用于耐油制品中，但填料对NBR制品的性能和成本影响较大。AT经过改性后可离解成纳米纤维状而较好地分散在NBR胶料中，制备高性能的NBR纳米复合材料[4]。

本工作对添加不同牌号和不同用量纳米AT的NBR胶料性能进行研究，并与白炭黑胶料进行对比。

1 实验

1.1 主要原材料

NBR，中国石油兰州石化公司产品；氧化锌和钛白粉，河南省固始县鹏鑫锌化有限公司产品；硬脂酸和促进剂DM，中国石化南京化学工业有限公司产品；氧化镁和防老剂D，连云港锐巴化工有限公司产品；硫黄，浙江黄岩浙东橡胶助剂有限公司产品；白炭黑和聚乙二醇，濮阳市光璞石化有限责任公司产品；AT，牌号R61，R51和R11，玖川纳米材料科技有限公司产品。

1.2 主要仪器和设备

XK-160型开炼机和QLB-50D/Q型平板硫化机，无锡市第一橡塑机械有限公司产品；GTM2000-A型无转子硫化仪和XS365M型电子直读天平，高铁检测仪器有限公司产品；LX-A型邵氏橡胶硬度计和DL-2500N型电子式拉力试验机，江都市新真威试验机械有限责任公司产品；CP-25型冲片机和WML-76型阿克隆磨耗试验机，江都市试验机械厂产品；401-B型老化试验箱，上海实验仪器厂有限公司产品。

1.3 配方

1.3.1 AT或白炭黑胶料

NBR 100，AT或白炭黑 变量，钛白粉 15，氧化锌 5，硬脂酸 3，氧化镁 10，防老剂D 1，聚乙二醇 4，硫黄 3.5，促进剂DM 2。

1.3.2 AT/白炭黑并用胶料

NBR 100，AT/白炭黑 40，氧化锌 5，硬脂酸 1，防老剂4010NA 2，石蜡油 10，偶联剂Si69 1，聚乙二醇 4，硫黄 1.5，促进剂DM 1.5，促进剂TMTD 0.75。

1.4 试样制备

1.4.1 AT制备

AT原矿浆（粘度为1 000 mPa·s，水分质量分数为0.20～0.25）→破碎（固体片层厚度为0.8～1.5 mm，水分质量分数为0.37～0.45）→打浆（固体质量分数为0.05～0.07）→过筛→提纯（纯度不小于0.9）→压滤（水分质量分数为0.48～0.54）→用偶联剂KH550和硬脂酸等改性→烘干（水分质量分数不超过0.005）→磨粉（粒径40～80 nm）→包装。

1.4.2 胶料混炼

胶料混炼在开炼机上进行。混炼工艺为：塑炼胶→氧化锌、硬脂酸和填料等→促进剂和硫黄（50～70 ℃）→左右3/4割刀各3次→薄通，打三角包6次→下片。

1.5 性能测试

胶料各项性能测试均按照相应国家标准进行。

2 结果与讨论

2.1 AT的理化性能

AT的理化性能见表1。从表1可以看出：AT的主要成分为二氧化硅、氧化铝和氧化镁；由于处理工艺不同，3种牌号AT各组分质量分数有所差异；3种牌号AT粒径都在60 nm以内。

表1 AT的理化性能

2.2 AT对NBR胶料性能的影响

AT对NBR胶料性能的影响见表2。从表2可以看出：对同一牌号的AT而言，随着AT用量增大，NBR胶料的密度增大，硬度、定伸应力、拉伸强度、撕裂强度和耐热老化性能提高，但耐磨性能降低；3个牌号的AT胶料相比，AT R61胶料的耐磨性能较好，AT R11胶料的综合物理性能较好。

从表2还可以看出，与添加相同用量的白炭黑胶料相比，添加AT的胶料性能总体较差。但白炭黑成本远高于AT，AT可与白炭黑并用。

表2 AT对NBR胶料性能的影响

2.3 AT/白炭黑并用比对NBR胶料性能的影响

选用胶料性能居中的AT R51与白炭黑并用，并添加偶联剂Si69，进行AT R51/白炭黑并用比对NBR胶料性能影响的试验，结果见表3。从表3可以看出，与白炭黑用量为40份的A5配方胶料相比，添加AT R51的A1～A4配方胶料FL、Fmax、300%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度较低，其中AT R51/白炭黑并用比为10/30的A4配方胶料物理性能较好，与A5配方胶料物理性能接近。

表3 AT R51/白炭黑并用比对NBR胶料性能的影响

2.4 经济效益

对年消耗100 t白炭黑的企业而言，如果以AT替代25%的白炭黑，每年可节约成本12.5万～75万元（白炭黑价格按照每吨0.5万～3万元计，AT价格按照每吨0.1万元计）。可见AT与白炭黑并用能够大幅降低成本，经济效益良好。

3 结论

（1）随着AT用量增大，NBR胶料的物理性能提高，耐磨性能降低。

（2）采用AT R61的NBR胶料耐磨性能较好，采用AT R11的NBR胶料综合物理性能较好。

（3）与添加相同用量白炭黑的NBR胶料相比，添加AT的NBR胶料性能总体较差。

（4）AT R51/白炭黑并用比为10/30的NBR胶料物理性能较好，与白炭黑用量为40份的NBR胶料物理性能接近。

（5）AT来源广泛，价格低廉，与白炭黑并用，可以提高胶料性价比，经济效益良好。