天然橡胶/丁苯橡胶/白云母复合材料的性能研究

管俊芳，吕 灏，程飞飞，胡林强，李小帆，张凌燕

（1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）

白云母是一种性能优异的无机矿物填料，在橡胶中能起到补强和降低成本的作用[1-2]。硫化体系和硫化条件是影响白云母胶料的重要因素[3-10]。

本工作研究硫化体系、硫化条件和白云母用量对天然橡胶（NR）/丁苯橡胶（SBR）/白云母复合材料性能的影响，为白云母在橡胶中的应用提供指导。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，SCR5，西双版纳中化橡胶有限公司产品；SBR，牌号1502E，中国石油天然气股份有限公司产品；白云母粉，d10，d50，d90（累计粒径分布质量分数分别达到0.1，0.5，0.9时所对应的粒径）分别为2.92，13.01，41.97 μm，白云母质量分数为0.938 9（SiO2质量分数为0.563 6，Al2O3质量分数为0.219 5，K2O质量分数为0.084 5，Na2O质量分数为0.003 1，Fe2O3质量分数为0.061 5，TiO2质量分数为0.006 7），河南驻马店白云母矿产品；聚乙二醇（PEG），牌号6000，天津市大茂化学试剂厂产品；十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），开封东大化工有限公司试剂厂产品；硅烷偶联剂，牌号WD60，武汉绿科文物建筑保护材料有限公司产品；无水乙醇，天津市广成化学试剂有限公司产品；氧化锌，柳州锌品有限责任公司产品；硬脂酸，天津博迪化工股份有限公司产品；防老剂RD，中国石化南京化学工业有限公司产品；硫黄，山东临沂金磺化工有限公司产品；促进剂D、CZ和DM，天津有机化工一厂产品。

1.2 主要设备与仪器

GH-10DY型高速混合机，北京英特塑料机械总厂产品；X（S）K-160型开炼机，上海双翼橡胶机械有限公司产品；0.25 MN半自动压力成型机，上海西玛伟力橡塑有限公司产品；CP-25型切片机，上海化工机械四厂产品；LX-A型邵氏橡胶硬度计，上海六菱仪器厂产品；RGD-5型电子拉力试验机，深圳市瑞格尔仪器有限公司产品；MH-74型阿克隆磨耗机，上海德杰仪器设备有限公司产品。

1.3 基本配方

NR 60，SBR 40，氧化锌 5，硬脂酸 3，改性白云母 40，防老剂RD 1，硫黄/促进剂变量。

1.4 试样制备

1.4.1 白云母改性

将白云母粉加入高速混合机中，充分预热后依次加入PEG（质量分数为0.02）、CTAB（质量分数为0.01）、偶联剂WD60（质量分数为0.015）、无水乙醇（质量分数为0.01）、硬脂酸（质量分数为0.02），在100 ℃下混合20 min，制得改性白云母。

1.4.2 胶料混炼和硫化

将NR和SBR在开炼机上混炼均匀，加入改性白云母、氧化锌、硬脂酸、防老剂RD和硫化体系，混炼均匀，薄通，出片。混炼胶在室温下停放24 h后，在平板硫化机上硫化，硫化条件为160 ℃×14 min。

1.5 性能测试

复合材料性能测试按照相应国家标准进行。

2 结果与讨论

2.1 硫化体系

为得到优化硫化体系，进行了L9（34）正交试验：因子A为促进剂D用量（份），B为促进剂CZ用量（份），C为促进剂DM用量（份），D为硫黄用量（份）。正交试验因子与水平见表1，正交试验方案见表2。

表1 正交试验因子与水平

表2 正交试验方案

正交试验复合材料的物理性能见表3，根据表3对复合材料拉伸强度进行试验结果分析（见表4）。

表3 正交试验复合材料的物理性能

表4 正交试验复合材料拉伸强度分析结果 MPa

从表4可以看出，对复合材料拉伸强度影响由大到小的因子顺序为：A，B，C，D，最优水平为A3B1C2D2，即对于拉伸强度的优化硫化体系为：促进剂D 1.2，促进剂CZ 0.8，促进剂DM 0.6，硫黄 2.5。该优化硫化体系与7#配方硫化体系接近。

根据以上正交试验结果进一步探索实际的优化硫化体系。表5为调整后的硫化体系，表6为相应复合材料的物理性能。从表6可以看出，10#配方胶料的拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度最大，综合物理性能较好，且促进剂用量最小。综合考虑，确定10#配方的硫化体系为优化硫化体系，即优化硫化体系为：促进剂D 1，促进剂CZ 0.6，促进剂DM 0.6，硫黄 2.5。

表5 调整后的硫化体系 份

表6 调整后的硫化体系复合材料性能

2.2 硫化温度

在采用优化硫化体系、硫化时间为14 min的条件下，考察硫化温度对复合材料物理性能的影响，结果见表7。从表7可以看出：随着硫化温度升高，胶料的300%定伸应力和拉伸强度先提高后降低；当硫化温度为145 ℃时，胶料的300%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度最大，综合物理性能较好，因此确定硫化温度为145 ℃。

表7 硫化温度对复合材料物理性能的影响

2.3 硫化时间

在采用优化硫化体系、硫化温度为145 ℃的条件下，考察硫化时间对复合材料物理性能的影响，结果见表8。从表8可以看出：随着硫化时间延长，胶料的300%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度均总体呈下降趋势；在试验范围内，当硫化时间为8 min时，胶料的拉伸强度和撕裂强度最大，综合物理性能较好，因此确定硫化时间为8 min。

表8 硫化时间对复合材料物理性能的影响

2.4 改性白云母用量

在采用优化硫化体系、硫化条件为145 ℃×8 min时，考察改性白云母用量对复合材料物理性能的影响，结果见表9。从表9可以看出：改性白云母用量为20份时，复合材料的综合物理性能较好。

表9 改性白云母用量对复合材料物理性能的影响

3 应用分析

在采用优化硫化体系、硫化条件为145 ℃×8 min时，不同用量改性白云母复合材料的性能与轮胎和橡胶鞋底材料的性能标准对比见表10。从表10可以看出：当改性白云母用量为20，40和60份时，复合材料的物理性能和耐磨性能满足工业车辆轮胎胎面胶和垫带胶、农业轮胎胎面胶和垫带胶、载重型和非载重型力车轮胎胎面胶以及鞋跟胶料国家或行业标准要求，但不能满足运动鞋底和便鞋底胶料行业标准物理性能要求；当改性白云母用量为80份时，复合材料的物理性能无法满足农业轮胎胎面胶国家标准物理性能要求。因此，可以根据应用领域的不同合理地使用白云母。总的来看，改性白云母用量为20份时，复合材料物理性能和耐磨性能可以满足大部分橡胶制品胶料的要求。

表10 不同用量改性白云母复合材料的性能与轮胎和橡胶鞋底材料性能标准对比

4 结论

（1）NR/SBR/白云母复合材料的优化硫化体系为：促进剂D 1，促进剂CZ 0.6，促进剂DM 0.6，硫黄 2.5；适宜的硫化条件为145℃×8 min。

（2）当改性白云母用量为20，40和60份时，复合材料的物理性能和耐磨性能均能满足工业车辆轮胎胎面胶和垫带胶、农业轮胎胎面胶和垫带胶、载重型和非载重型力车轮胎胎面胶和鞋跟胶料国家或行业标准的要求。

（3）改性白云母用量为20份时，复合材料物理性能和耐磨性能可以满足大部分橡胶制品的要求。