填料对硫化天然胶湿热老化性能的影响研究

张心宇　刘小青

摘要：指出了橡胶制品易老化的特点，不仅缩短了其使用寿命，给实际应用带来诸多不便，而且还造成了经济浪费，因此，研究橡胶制品老化的机理，对于开发新产品及相应的使用防护措施具有重要意义。针对青岛地区夏季气候湿度大和闷热的特点，利用实验方法研究了湿热因素对天然橡胶老化的影响，并初步探索了相应的防护措施，希望对橡胶产品的设计和防护提供参考。

关键词：天然橡胶；老化；填料；防护

中图分类号：TQ330.1

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18019802

1引言

橡胶是一种高分子材料，在较大的形变影响下不仅能够快速地恢复，而且可以被改性＼[1＼]。随着橡胶工业的不断发展，橡胶材料在日常生活乃至工业等诸多领域得到了广泛应用，比如建筑、汽车、电子、航空航天等。但是，材料本身的易老化性会不同程度地缩短其使用寿命，不仅给实际应用带来不便，而且造成一定浪费。

生胶和硫化橡胶及其它橡胶制品在储存、运输、加工、使用等不同环节，受到内外众多因素的综合作用，使得橡胶的组成和结构被破坏，逐步失去原有的优良性能，甚至喪失使用价值，称为橡胶老化。“老化”过程是不可逆的，是包括橡胶在内的所有高分子材料的一种固有属性，主要表现为产品性能的变坏，最直接的表现就是表面出现裂纹、发粘、硬化、软化、粉化等＼[1＼]。

深入研究橡胶的老化机理，不仅可以从根本上了解橡胶老化的基本过程，而且对于防老化技术和产品，以及新型长寿命、高可靠性橡胶材料的研发，都具有十分积极的意义＼[2＼]。

2研究现状

19世纪60年代，人们就已经发现橡胶制品在使用过程中会逐步老化变质，而且知道大气中的氧是造成橡胶制品老化的主要原因，此后，人们对橡胶产品的自然老化以及人工加速老化进行了深入研究。随着分析方法和试验手段的不断发展，人们对于橡胶老化机理和防护等方面的认识，都取得了很大进展。

对于橡胶制品的老化机理，目前研究表明，不同的使用环境中，引起橡胶制品老化的因素非常多，主要包括：热、光、氧气、臭氧、疲劳、接触介质等。其中，热、光和氧气是最普遍的老化因素＼[2＼]。

对于橡胶老化的研究方法，目前主要采用实验法和仪器分析法。自然老化和人工加速老化是两种主要的实验方法。虽然自然老化是用来评定材料环境寿命的最好的方法，但该方法的主要缺点是试验周期长、环境条件无法控制，另外，不同地区的环境条件无法保证完全相同，无法将不同影响因素分开进行研究。相比之下，人工加速老化试验方法就很容易克服这些缺点，借助于自然手段（如热、臭氧、光、人工气候、光臭氧等）、生物手段、物理手段（如高能辐射和电老化）以及化学介质等不同人工方法，都可以进行人工加速老化试验。烘箱加速老化与自然老化最为接近，是目前主要的人工加速老化试验手段。采用该方法，可显著缩短试验周期，控制环境条件，可以得到可比性较高的实验结果。随着科技的快速发展，许多新型的实验手段不断出现，如能够模拟紫外光、热、湿等环境的加速老化实验箱。

仪器分析方法主要包括热分析、核磁共振以及傅立叶转换红外光谱等。借助于这些精密的科学仪器和严格的科学实验，可以发现更好的度量老化性能的指标，准确地反映老化程度、有助于更加深刻地认识和探索老化机理。

弄清橡胶老化的机理，就可以有针对性地采取措施防止橡胶产品的老化，提高产品的使用寿命。目前，广泛采用的橡胶的防护措施包括：改变橡胶的分子结构、硫化剂、防老剂、纳米粒子应用、表面处理、橡胶并用、改善加工工艺＼[4＼]。

关于橡胶材料的湿热老化的研究，目前的相关文献有：陈经盛＼[11＼]介绍了橡胶试样在湿热空气环境下进行的老化试验，研究了温度、湿度和风速等因素对橡胶老化性能的影响。研究结果表明不同橡胶具有不同的耐湿热老化性能，高温高湿具有加速橡胶老化的作用。指出湿热老化试验是比较符合实际环境的一种加速老化试验方法，可用于考验和评价橡胶在湿热空气环境下的耐老化性能。

张晓军等＼[13＼]通过对氟橡胶密封材料的湿热老化试验研究，以及老化试验前后材料的红外光谱分析与压缩永久变形测量，分析老化引起材料内部的分子结构变化，建立不同老化条件下材料性能随老化时间变化规律。结果表明：温度和湿度因素显著影响橡胶压缩性能，相比之下，温度的影响更显著一些。而且，在不同的老化条件下，氟橡胶具有不同的失效机制，分子交联和水解是湿热条件下橡胶老化的根本原因，分子断裂和交联是热氧条件下橡胶老化的根本原因。

何业明等＼[14＼]研究了高强度耐湿热老化的硫化硅橡胶的制备方法，其方法是向107硅橡胶中添加交联剂（甲基三丁酮肟基硅烷）和补强填料（白炭黑）以及纳米活性碳酸钙等材料，并用实验方法探讨了这些材料配比对硅橡胶耐湿热老化性能的影响以及配方方案。

李宗恒等＼[15＼]研究了炭黑对三元乙丙橡胶耐湿热老化和热空气老化性能的影响，发现加入炭黑后，随着炭黑粒径减小，炭黑的补强效果得到提高。

3研究方法

综上所述，目前文献对于湿热因素对橡胶制品的老化的影响研究相对较少，而且不成熟，因此，本文采用实验方法，探究炭黑与白炭黑对硫化天然胶热空气与湿热老化性能的影响并初步探索相应的防护措施。具体实验方法和步骤如下。

（1）影响因素实验设计：为了研究炭黑与白炭黑对硫化天然胶热空气与湿热老化的影响，设计如下3个对比实验。热空气和湿热气候对于橡胶产品性能的影响是非常复杂的。为了简化研究，本项实验主要考察在不同实验条件下，拉伸强度与撕裂强度这两个容易测量的指标的变化情况，从而进行对比判断，具体实验方法如表1。

（2）硫化条件：150℃×TC90。

（3）加速老化实验条件。

热空气老化：70℃×14 d；湿热老化：（温度：70℃，湿度RH：95%）×14 d。endprint

（4）实验结果分析。

表2中，物理性能（这里指的是拉伸强度和撕裂强度）老化变化率的计算=（老化后的性能-老化前性能）

结果说明：白炭黑补强胶经湿热老化后断裂伸长率下降明显大，表明该胶耐湿热老化性能更差。

2017年9月绿色科技第18期

张心宇，等：填料对硫化天然胶湿热老化性能的影响研究

材料与工艺

4结论

通过实验数据分析，发现湿热因素对不同配方的橡膠样品的老化都有不同程度的影响，炭黑和白炭黑对于天然橡胶抗湿热老化都有一定作用，这些结果对于提高橡胶制品在湿热环境下的使用和有针对性地开发抗湿热环境的橡胶产品具有一定指导意义。

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