炭黑对高阻尼天然橡胶/溴化丁基橡胶并用胶性能的影响

李 斌，张保生，杨丽博，唐军辉，刘洪平

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

炭黑作为橡胶工业最主要的原材料之一，能够赋予橡胶许多优异的性能，经过炭黑补强的氢化丁腈橡胶强度可提高约4倍，硬度、定伸应力和耐磨性能均有大幅提高[1]。但炭黑也会对胶料性能造成一些负面影响，如弹性下降、滞后损失和拉断永久变形增大等，而且炭黑的种类和用量对橡胶性能的影响很大。多年来，国内外学者从不同方面就炭黑对胶料的性能影响进行了大量研究[2-5]，但多集中于炭黑用量的影响。

本工作研究炭黑种类对天然橡胶（NR）/溴化丁基橡胶（BIIR）并用胶性能的影响以及填充不同种类炭黑的相同硬度并用胶的性能。

1 实验

1.1 原材料

NR，3#烟胶片，泰国进口产品；BIIR，牌号2030，德国朗盛公司产品；炭黑N110，天津亿博瑞化工有限公司产品；炭黑N550和N774，中橡集团炭黑工业研究设计院产品；其余均为市售产品。

3种炭黑的基本性质指标见表1。由表1可见，3种炭黑的结构度和比表面积由大到小依次为N110，N550，N774。

表1 3种炭黑的基本性质指标

1.2 基本配方

NR 60，BIIR 40，氧化锌 5，硬脂酸 2，防老剂 6.5，软化剂 15，受阻酚 15，硫黄 1.5，促进剂CZ 1.5，炭黑 变品种、变量。

1.3 主要设备和仪器

CF-1L型密炼机，东莞市昶丰橡塑机械科技有限公司产品；X（S）K-160型开炼机，上海橡胶机械厂产品；YH33-50型平板硫化机，江西萍乡无线电专用设备厂产品；CMT-2013型微机控制电子拉力试验机，深圳市新三思材料检测有限公司产品；DIGI testⅡ型数显硬度测试仪，德国BAREISS公司产品；401-B型热空气老化箱，上海实验仪器有限公司产品；CJ-6型冲击回弹试验机，东莞高铁检测仪器公司产品；DM-3000A型无转子硫化仪，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；DMTA-IV型动态热力学分析仪，美国Rheometric Scientific公司产品。

1.4 试样制备

将NR和BIIR置于140 ℃的密炼机中，转子转速为55 r·min-1，混炼2～3 min，加入防老剂、活性剂等小料，混炼2～3 min，加入炭黑和软化剂，混炼3～4 min，将胶料取出，在开炼机上加入促进剂和硫黄，混炼均匀薄通3次出片。混炼胶停放24 h进行返炼，然后在平板硫化机上硫化成型，条件为150 ℃×20 min。

1.5 性能测试

胶料硫化特性和物理性能均按照相应国家标准测试，硫化特性测试条件为150 ℃×40 min；拉伸性能测试时拉伸速率为 500 mm·min-1；热空气老化性能测试时老化条件为100 ℃×70 h。动态力学性能采用动态力学分析仪（DMTA）按照HB 7655—1999《塑料与复合材料动态力学性能的强迫非共振型试验方法》进行测试，频率为2 Hz，温度范围为－60～＋60 ℃，升温速率为2 ℃·min-1，空气气氛。

2 结果与讨论

2.1 炭黑种类对胶料性能的影响

2.1.1 硫化特性

炭黑种类对高阻尼NR/BIIR并用胶硫化特性的影响见表2。

表2 炭黑种类对高阻尼NR/BIIR并用胶硫化特性的影响

由表2可见：炭黑N774填充胶料的t10最长，加工安全性最好；炭黑N110填充胶料的t90最短、硫化指数最大，硫化速度最快。这是由于炭黑结构度越高、比表面积越大，炭黑与橡胶分子链间的作用力越大，促进了结合胶网络的形成，限制了分子链的运动，从而缩短了t10和t90[6]。

2.1.2 物理性能

炭黑种类对高阻尼NR/BIIR并用胶物理性能的影响见表3。

由表3可以看出：随着炭黑粒径的增大，胶料邵尔A型硬度和拉伸强度均呈下降趋势；炭黑N774填充胶料的回弹值最小，预计阻尼效果最优；热空气老化后，3种胶料物理性能均有一定程度的下降，其中炭黑N110填充胶料老化后的邵尔A型硬度变化最小，炭黑N110和N550填充胶料老化后拉伸强度变化率相差不大，均优于炭黑N774填充胶料。

表3 炭黑种类对高阻尼NR/BIIR并用胶物理性能的影响

炭黑粒径越小，比表面积越大，结构度越高，炭黑与橡胶作用形成的结合胶质量分数越大，补强性能越优，因此炭黑N110填充胶料的物理性能最优，炭黑N774填充胶料最差。炭黑N110填充胶料的耐热空气老化性能也较优。

2.1.3 动态性能

不同种类炭黑填充高阻尼NR/BIIR并用胶的DMTA谱如图1所示。

由图1可见：3种并用胶的DMTA谱均出现双峰，低温处的阻尼峰（－60～0 ℃）对应为并用胶的玻璃化转变区域，随着炭黑粒径的减小，损耗峰峰值减小，峰宽变窄，其原因可能与炭黑的比表面积和结构度有关，炭黑结构度越高，体系中的结合胶越多，橡胶有效体积分数减小，能耗减小；炭黑比表面积越大，体系中结合胶含量越大，填料与聚合物间作用力增强，聚合物分子链滞后现象减弱，损耗峰峰值减小[7]。

图1 不同种类炭黑填充高阻尼NR/BIIR并用胶的DMTA谱

对于高温处（0～60 ℃）的损耗峰峰值，炭黑N774最大，炭黑N550最小，炭黑N110居中。炭黑N774填充胶料在整个测试温度范围内具有较高的阻尼峰，通常把损耗因子（tanδ）大于0.3作为有效阻尼范围[8-9]，计算得到炭黑N774填充胶料的损耗峰峰值达到0.79，有效阻尼温域达到91.1 ℃，表明炭黑N774填充胶料的阻尼效果最好。

2.2 炭黑种类对相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶性能的影响

在NR/BIIR并用胶中分别填加40，70和85份炭黑N110，N550和N774，制备了邵尔A型硬度均为58度的高阻尼胶料，研究炭黑种类对相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶性能的影响。

2.2.1 硫化特性

炭黑种类对相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶硫化特性的影响见表4。

表4 炭黑种类对相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶硫化特性的影响

由表4可以看出：炭黑N774填充胶料的t10和t90最长，硫化指数最小，表明其加工安全性最好，硫化速率最慢；炭黑N110与N550填充胶料的t10接近，但炭黑N110填充胶料的t90最短，硫化指数大，硫化速率最快；以炭黑N774制备同硬度的胶料用量最大，但其FL，Fmax和Fmax－FL最小，表明其流动性最好，体系交联密度最低，这是由于炭黑N774与橡胶分子链间作用力较炭黑N110和N550小，生成结合胶的量小。

2.2.2 物理性能

炭黑种类对相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶物理性能的影响见表5。

由表5可见，在硬度相同的情况下，炭黑N550填充胶料的拉伸强度最大。胶料拉伸性能与炭黑种类和用量有关，炭黑粒径越小、结构度越高，补强效果越好，且炭黑用量越大，拉伸强度越大，因此填加了70份炭黑N550的胶料具有最优的拉伸性能。

表5 炭黑种类对相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶物理性能的影响

2.2.3 动态性能

不同种类炭黑填充的相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶的DMTA谱见图2。

图2 不同种类炭黑填充的相同硬度高阻尼NR/BIIR并用胶的DMTA谱

由图2可见：炭黑N774填充胶料在低温处（－60～0 ℃）阻尼峰峰值最大；而炭黑N110填充胶料在高温处（0～60 ℃）阻尼峰峰值最大，且高温范围内的有效阻尼温域较宽，达到了35.5 ℃（18.9～54.4 ℃）。对于常温使用的减震橡胶制品，选择炭黑N110能赋予更好的减震降噪效果。

3 结论

（1）高阻尼NR/BIIR并用胶中填加相同用量不同种类的炭黑，选用的炭黑粒径越小、结构度越高、比表面积越大，炭黑与橡胶间作用越明显，对胶料的补强效果越强，硫化速率越快，胶料物理性能越优。

（2）高阻尼NR/BIIR并用胶中填加相同用量不同种类的炭黑，胶料阻尼效果与炭黑粒径、结构度、比表面积无直接线性关系，炭黑N774粒径最大，阻尼效果最优，炭黑N550粒径较炭黑N110大，但阻尼效果不如炭黑N110填充胶料，因此，应根据产品实际要求选择炭黑种类。

（3）采用不同用量的3种炭黑制备相同硬度的高阻尼NR/BIIR并用胶，炭黑N110填充胶料的硫化速率和物理性能介于炭黑N550与炭黑N774填充胶料之间，但其常温阻尼效果最优，适宜常温范围内使用的阻尼橡胶产品。