纳米黏土/丁苯橡胶复合材料结构和性能研究

侯亚合 王新 吉雷波 李润飞

【摘  要】论文采用机械共混法制备了纳米黏土/丁苯橡胶（SBR）复合材料，与白炭黑对比研究了该复合材料的加工性能、物理机械性能和动态性能等。结果表明，纳米黏土/SBR复合材料与白炭黑增强橡胶相比，分散性好、门尼黏度低、抗焦烧性能好，便于加工;补强性能好，复合材料具有良好的物理机械性能;散热性、耐磨性好。

【Abstract】In this paper， nano-clay/SBR composites were prepared by mechanical blending method， and the machining properties， physical and mechanical properties and dynamic properties of the composites were compared with that of silica. The results show that the nano-clay /SBR composite has better dispersibility， lower mooney viscosity， better anti-coke performance and is easier to process than the silica reinforced rubber， and has good reinforcing properties， and the composite material has good physical and mechanical properties， and has good heat dissipation and wear resistance.

【关键词】纳米黏土;丁苯橡胶;加工性能;物理机械性能;动态性能

【Keywords】nano-clay; styrene butadiene rubber; machining properties; physical and mechanical properties; dynamic properties

【中图分类号】TQ332                                【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）05-0169-03

1 引言

纳米黏土/橡胶复合材料是以橡胶为基体连续相、黏土以纳米尺度分散于基体中的新型高分子复合材料，可通过溶胶-凝胶法、插层法、共混法制备。纳米黏土具有纳米级别的粒径，表面经过改性处理，能较好地分散在橡胶基体中并形成良好的界面结合效果，因而能在纳米尺度实现对橡胶的补强。纳米黏土/橡胶复合材料具有优良的加工工艺性能、较高的机械强度和较好的热稳定性，具有十分广阔的市场应用前景。

本研究使用的纳米黏土是一种半合成、纳米级无机硅矿物粉末状材料，产品名称为Superfil R 505，其聚集体在微观状态下呈相互分离的晶片，晶片平均直径在200～500nm，晶片厚度在20～50nm。

丁苯橡胶是最早的工业化的合成橡胶，也是目前产量和消耗量最大的合成橡胶，广泛应用于轮胎工业和汽车零件、电线电缆、胶管胶带等工业产品，以其为基体研究纳米黏土/橡胶复合材料的结构与性能，在理论和应用上均具有重要意义。本文主要研究了纳米黏土/丁苯橡胶复合材料的加工性能、物理机械性能和动态性能等。

2 实验

2.1 原材料

SBR 1502，上海越广橡胶化工有限公司;碳酸钙，中国石化南京化工厂;白炭黑，沧州杰威化工有限公司;纳米黏土，Superfil R 505，枣庄市三兴高新材料有限公司;其余均为市售工业品。

2.2 仪器及设备

XK-250（160）型开放式炼胶机，无锡第一橡胶机械有限公司;QL-25型平板硫化机，上海西玛伟力橡塑机械有限公司;GT-M2000A型橡胶无转子硫化仪、GT-7080-52型门尼黏度试验机、AI-7000-GD型电子拉力机、RH-2000N型压缩生热试验机，高铁检测仪器有限公司;JSM-6510型扫描电镜，JEOL（日本电子公司）; RPA-2000型橡胶加工分析仪，Alpha Technologies。

2.3 试样制备

基本配方（质量份）：SBR 100，硫磺 1.8，氧化锌 4，硬脂酸 2.5，促进剂NOBS 1.2，碳酸钙 30，防老剂RD 2，PEG4000 0.3，黏土/白炭黑变量（NT/WCB =0/30，10/20，15/15，20/10，30/0）。

试样制备：按配方在XK-250开炼机上制备SBR母炼胶，在XK-160开炼机上加入黏土/白炭黑（变量），最后加入硫黄，混炼均匀后下片，停放2h后于温度155℃、压力15MPa下硫化，硫化时间为硫化仪测定的工艺正硫化时间（t90）。

2.4 性能测试

将纳米黏土/SBR复合材料样条在液氮中冷冻折断后，表面喷金，用SEM觀察断面表面形貌;采用橡胶加工分析仪测定胶料加工性能，扫描温度90℃，应变幅度0.042;胶料门尼黏度、硫化特性、动态性能、物理机械性能、DSC热分析均按照相应的ASTM标准进行。

3 结果与讨论

3.1 纳米黏土在NR中的分散

图1是Superfil R 505的扫描电镜照片，可见纳米黏土具有良好的片层状结构，且晶体分离，具有较好的分散性能;表面含有活性-Si-OH基团，表面處理后，引入两性基团，一端连接纳米黏土表面-OH，另一端与橡胶发生反应。图2是纳米黏土填充量为15phr的复合材料电镜照片，其中深色背景为SBR橡胶基体，白色亮点为黏土片层。可见Superfil R 505黏土基本上以纳米级尺寸分散在NR基体中，也存在少量的聚集体，其总体分散较为均匀。

3.2 纳米黏土/SBR复合材料的门尼粘度

其中，1-NT表示纳米黏土，2-白炭黑，下同。

由表1可以看出，随纳米黏土用量（NT/WCB）增加，胶料门尼黏度值有较大幅度减小。这是由于该纳米黏土为片层结构，具有中高结构度，利于减低门尼黏度，增加流动性，改善胶料模压充模型能。

3.3 纳米黏土/SBR复合材料的硫化特性

由表2可以看出，随纳米黏土用量（NT/WCB）增加，胶料的焦烧时间t10先增大后减小、工艺正硫化时间t90逐渐缩短。这表明该纳米黏土对硫化有较大的促进作用，使胶料的硫化速度提高;选择合适的填充量，既可以提高生产效率，又能保证胶料加工的安全性。

3.4 纳米黏土/SBR复合材料混炼胶动态性能

由图3和图4可看出，随频率增大，复合材料混炼胶储能模量（G'）与损耗模量（G"）均增大;同一频率下，随纳米黏土用量（NT/WCB）增加，复合材料G'与G"均减小，纳米黏土复合材料的加工性能优于白炭黑复合材料。

3.5 纳米黏土/NR复合材料的物理机械性能

由表3可看出，随纳米黏土用量（NT/WCB）增加，复合材料的拉伸强度、300%定伸应力、撕裂强度呈先升高后下降趋势，耐磨性能逐渐降低，表明纳米黏土在SBR中具有较好的补强性能，且补强水平高于白炭黑。这主要是由于该纳米黏土为纳米级填料，具有片状形态和较好的分散性，使胶料具有良好的力学性能。

从压缩生热数据可以看出，随纳米黏土用量（NT/WCB）增加，复合材料硫化胶的温升、压缩永久变形、最终压缩率、磨耗体积均有较大幅度降低。这是因为经表面改性的纳米黏土分散性好、生成的交联网络更加均匀，散热性能和承担应力的能力都提高。

3.6 纳米黏土/NR复合材料的玻璃化温度

由图5可看出，改变纳米黏土和白炭黑的用量，复合材料玻璃化温度变化不大，表明纳米黏土与白炭黑对复合材料耐寒性的影响相当。

4 结论

纳米黏土、白炭黑分别与SBR复合，具有以下特点：

①纳米黏土补强性能好，纳米黏土/SBR复合材料具有良好的物理机械性能;②纳米黏土分散性好、门尼黏度低、焦烧性能好，混炼胶便于加工;③纳米黏土/SBR复合材料散热性、耐磨性好。

【参考文献】

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