天然橡胶-伊/蒙粘土复合材料的制备与性能研究

冯富强，朱德创，唐海龙，袁 意，吴文康

（海南天然橡胶产业集团股份有限公司 海南先进天然橡胶复合材料工程研究中心，海南 澄迈 571924）

天然橡胶（NR）由于弹性好和强度高等特点，广泛用于轮胎和橡胶制品领域[1-3]。受橡胶树生长环境及其自身结构的影响，NR的耐磨性能和耐老化性能较差，限制了其在军用航空轮胎和载重轮胎等特殊产品中的应用[4-5]，因此高性能NR复合材料的研究越来越受到关注。

伊/蒙粘土（YM）是伊利石与蒙脱石间层或混层中的粘土矿物，是蒙脱石矿物在成岩作用下向伊利石矿物转化过程中的一种过渡矿物，属于典型层状硅酸盐矿物[6]。YM作为蒙脱石伊利石化的天然产物，不仅具有与蒙脱土相似的纳米层状结构，而且二氧化硅含量较高，可赋予橡胶材料良好的加工性能、气体阻隔性能、耐磨性能和耐老化性能，且兼具良好的补强性能。

本工作将YM添加到浓缩天然胶乳中，制备NR-YM复合材料（简称NR-YM），并对其性能进行研究。

1 实验

1.1 主要原材料

浓缩天然胶乳，海南天然橡胶产业集团股份有限公司海南经纬乳胶丝有限责任公司提供；YM，中科纳达控股有限公司产品。

1.2 试验配方

NR-YM 100（按NR计），氧化锌 5，硬脂酸 2，防老剂4010NA 1，硫黄 2，促进剂CZ 1.2。

1.3 主要设备和仪器

XK-150型开炼机，广东省湛江机械厂产品；XLB-D型平板硫化机，湖州宏侨橡胶机械有限公司产品；GT-M2000-A型无转子硫化仪和GT-7012-A型耐磨试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；UT-2080型拉力试验机，优肯科技股份有限公司产品；401-A型老化试验箱，江都市道纯实验机械厂产品。

1.4 试样制备

将稀释至一定干胶含量的天然胶乳与总固体含量一定的YM水分散体共混，搅拌均匀后加乙酸凝固，经脱水、干燥后制得NR-YM。

胶料在开炼机上混炼。加料顺序为：NR-YM（或NR）→塑炼→氧化锌、硬脂酸和防老剂→混炼均匀→硫黄和促进剂→薄通→打三角包→下片。混炼胶停放8 h后在平板硫化机上硫化（143℃×20 min）。

1.5 性能测试

生胶的理化性质和胶料性能均按照相应国家标准进行测试。

2 结果和讨论

2.1 理化性质

NR-YM的理化性质见表1。

从表1可以看出：与NR相比，NR-YM的灰分质量分数较大，且随着YM用量增大，NR-YM的灰分质量分数增大；NR-YM的挥发分质量分数和氮质量分数均没有明显差异，表明YM的加入不会增大NR-YM的烘干难度，也不会导致含氮物质增多。

表1 NR-YM的理化性质

2.2 硫化特性

NR-YM胶料的硫化特性见表2。

表2 NR-YM胶料的硫化特性（143 °C）

从表2可以看出：与NR胶料相比，NR-YM胶料的FL和Fmax增大，Fmax是胶料交联密度以及填料对橡胶基体补强综合作用的表征[7]，Fmax大说明YM与NR相容性良好，NR-YM胶料的交联密度大；NR-YM胶料的t10和t90延长，加工安全性能提高。

2.3 物理性能

NR-YM胶料的物理性能见表3。

从表3可以看出：与NR胶料相比，NR-YM胶料的300%定伸应力、拉伸强度总体提高；随着YM用量增大，NR-YM胶料的300%定伸应力提高，拉伸强度先提高后降低，YM用量为8份时，NR-YM胶料的拉伸强度最高。这是由于YM与NR良好相容，胶料混炼过程中YM均匀分散在NR基体中，部分NR分子插层于YM片层之间；硫化时YM片层与NR基体形成较好的界面连接，形成相互缠结的交联网络，并促进硫化反应，使胶料的交联密度增大，从而提高胶料的强度[8]。

表3 NR-YM胶料的物理性能

从表3可以看出：与NR胶料相比，NR-YM胶料的耐磨性能提高；随着YM用量增大，NR-YM胶料的耐磨性能先提高后降低，YM用量为8份时，NR-YM胶料的耐磨性能最好。这是由于YM与NR良好的相容性阻碍了NR分子链呈带状结构抽出，减弱了发生粘附摩擦的趋势，从而显著提高了NR-YM胶料的耐磨性能[9]。

从表3可以看出，与NR胶料相比，NR-YM胶料的耐热氧老化性能提高，YM用量为5和8份时，NR-YM胶料的耐热氧老化性能较好。这是因为未添加YM时，NR中的橡胶烃在氧气作用下产生自由基，并被氧化成氢过氧化物，再进一步分解成氧化物与新的自由基，从而导致橡胶烃分子链不断断裂，使NR结构受到破坏[10]。而添加YM后，YM特有的纳米层状结构具有优异的气体阻隔性，有效地阻止了氧气侵入，从而使NR-YM胶料具有较好的耐热氧老化性能。但YM用量过大，NR-YM胶料的耐热氧老化性有所下降。

3 结论

（1）与NR相比，NR-YM的灰分质量分数较大，挥发分和氮质量分数没有明显差异。

（2）与NR胶料相比，NR-YM胶料的Fmax增大和t10延长，交联密度增大，加工安全性能提高。

（3）与NR胶料相比，NR-YM胶料的300%定伸应力、拉伸强度、耐磨性能和耐热氧老化性能提高。

（4）随着YM用量增大，NR-YM胶料的拉伸强度、耐磨性能和耐热氧老化性能先提高后降低；当YM用量为8份时，NR-YM复合材料的综合性能最好。