高岭土填料对橡胶力学性能的补强研究

李晓青，沈新民，房中行，涂群章

（陆军工程大学，南京 210007）

目前合成橡胶用到的主要填料有炭黑、白炭黑、硅酸盐［1］、碳酸盐［2］、金属化合物［3］等。炭黑和白炭黑在混炼过程中容易弥漫到空气中，对实验室设备造成损坏，还有实验室清洁不便等问题。随着环保要求的提高，炭黑和白炭黑制作成本一直在提高。寻求炭黑和白炭黑的替代材料，是橡胶行业发展的重要方向。我国高岭土矿产资源丰富，已探明267 处矿产地，探明储量29.10亿t［4］；生产成本低，制备流程简单。天然橡胶具有优良物理化学特性，用高岭土填充天然橡胶，生产更多的橡胶产品，可以更好地开发利用国内资源，有利于天然橡胶的利用价值最大化。本研究用高岭土来填充天然橡胶，以尝试获得高性能的复合橡胶材料，有利于代替炭黑和白炭黑补强天然橡胶的部分产品。

1 材料和方法

1.1 主要原材料

烟片胶（RSS），牌号泰国RSS3 号，泰国洪曼丽橡胶公司；高岭土，1 250 目，市场销售；氧化锌（ZnO），牌号ZnO-X1，沧州杰威锌业有限公司；硬脂酸（SA），牌号SA-1850，印尼斯文油脂化工集团；其余成分均为市场销售。

1.2 试验配方

RSS3 100，高岭土30，氧化锌5，硬脂酸5，防老剂（BLE）5，促进剂（DM）2，促进剂（M）2，硫磺（S）3 和其他试剂。

1.3 主要设备和仪器

制备设备：X-600 型切胶机、X（S）K-160 型双辊开炼机、X（S）M2L 型密炼机，均为瑞安市瑞日橡塑机械有限公司；YZYP-30T 型号平板硫化仪，东莞市益宗机械设备；YF-1802 型气动冲片机，天津市港源试验仪器厂。

测试设备：LX-A 型邵尔A 硬度计，扬州市道纯试验机械厂；MH-300A 型电子密度计，扬州德瑞仪器设备有限公司；WTB-0.5 型橡胶冲击弹性试验机，东莞市永心电子科技有限公司；WDL-5KN 型电子万能试验机，深圳万测试验设备有限公司。

1.4 试样制备

烟片胶经过切胶机切成小块碎片，在开炼机中过辊5 次后投入密炼机（转速为25 r/min），10 min 后取出塑炼胶静置6 h。静置后的塑炼胶在开炼机中过辊两次，防止塑炼胶卡主密炼机。密炼机预转2 min，调制小料，放入塑炼胶2 min 后加入小料，5 min 后加入一半含量的高岭土，10 min后加入另一半的高岭土。最后加入硫磺混炼3 min，取出混炼胶在开炼机中过辊3 次，打卷，静置12 h。

静置后的混炼胶在开炼机中过辊3 次，放入平板硫化机中进行硫化，硫化温度140℃，时间25 min，压力10 MPa，使用冲片机进行制样。

1.5 性能测试

（1）密度。密度使用电子密度计进行测试，原理符合GB/T 533—2008《硫化橡胶或热塑橡 胶密度的测定》。

（2）邵尔A 硬度。硬度性能按照GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法》进行测试。

（3）回弹性测试。回弹性能按照GB/T 1681—2009《硫化橡胶回弹性的测定》测试。

（4）拉伸性能测试。按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》进行测试。

橡胶试样如图1 所示。其中a 试样用来测试橡胶的回弹性能，b 试样用来测试抗拉强度、100%定伸应力和200%定伸应力，c 试样用来测试橡胶的撕裂强度。

图1 橡胶性能测试试样

2 结果与讨论

2.1 密度和硬度

高岭土对橡胶密度和硬度性能的影响如图2所示。由图2 可以发现，高岭土填料为90 份时，橡胶的密度值达到最大；橡胶的硬度在质量份为70 份时上升幅度减缓。补强后的橡胶密度和硬度与炭黑补强效果相似。橡胶是一种网状结构分子链，橡胶分子链与高岭土粒子在混炼过程中发生物理反应和化学反应。在高岭土为90 份时，高岭土粒子和橡胶分子发生的物理反应与化学反应达到饱和，橡胶密度达到极大值。随高岭土填料增加，其混炼胶经硫化后的胶样韧性和硬度增加。高岭土填料超过70 份时，高岭土粒子与橡胶分子在硫化过程中的物理反应和化学反应速度减缓，因而硬度上升减缓。

图2 高岭土对橡胶密度和硬度性能的影响

2.2 拉伸性能

高岭土对橡胶拉伸性能的影响如图3 所示。由图3 可以看出，高岭土填料增加，橡胶的撕裂强度在50 份时达到极大值，抗拉强度逐渐降低，100%定伸应力和200%定伸应力逐渐降低。

图3 高岭土对橡胶拉伸性能的影响

这是因为吸附于高岭土填料粒子上的橡胶分子链有一定的活动能力，在混炼机提供剪切力的作用下，能在填料粒子表面上产生滑动，使材料应力重新分布，避免应力集中。但随着高岭土填料增加，玻璃态橡胶分子在高岭土粒子表面活动能力开始下降，分子链断裂数量开始增加。高岭土填料较少时，橡胶分子链附着的高岭土粒子增强了橡胶的应力。随着高岭土填料的增加，橡胶分子在高岭土粒子表面活动能力下降，断裂的橡胶分子链增加，因此，抗拉强度、100%定伸应力和200%定伸应力下降。

2.3 回弹性能

高岭土对橡胶回弹性能影响如图4 所示。由图4 可以发现，高岭土填料增加，橡胶复合材料的弹性模量和回弹率降低。高岭土具有可塑性，少量的高岭土和橡胶分子结合后增加了高岭土橡胶复合材料的塑性值，从而回弹率升高。高岭土填料增加，和橡胶在混炼过程中形成的玻璃态向固态进行转变，塑性值降低，弹性模量和回弹率下降。

图4 高岭土对橡胶回弹性能的影响

通过图4 还发现，高岭土填充的橡胶具有很高的弹性。炭黑和白炭黑补强的橡胶复合材料回弹率一般在60 以下，而高岭土为110 份时，补强的橡胶复合材料仍然在64。说明高岭土补强橡胶回弹性能效果显著，能够用于对弹性要求高的橡胶制品。

3 结论

在高岭土对橡胶补强性的研究中，我们发现高岭土补强后的橡胶邵尔A 硬度值最大为52 度，对比柏杨等［5］在炭黑-白炭黑对天然橡胶复合材料的研究和姬春梅［6］用炭黑补强天然橡胶研究中发现的橡胶硬度为60～70，高岭土填充天然橡胶硬度相对于白炭黑和炭黑较低。在彭迁迁等［7］用白炭黑补强丁苯橡胶的研究中，撕裂强度在30～36 kN/m；抗拉强度在14.7～15.8 MPa；100%定伸应力为1.1～3.7 MPa。通过对比发现，高岭土补强后的天然橡胶撕裂强度接近，抗拉强度和100%定伸应力则远高于白炭黑补强的丁苯橡胶。

姚彬彬等［8］在用白炭黑补强天然橡胶的研究中发现回弹率在46%～48%；胡保利等［9］在白炭黑补强丁苯橡胶中回弹率在38%～42%；于尧等［10］在炭黑补强天然橡胶的研究中回弹率在49%～58%。经过对比发现，即便是在高岭土为110 份时，补强后的橡胶仍然具有较高的弹性，回弹率达到64%。通过高岭土填补橡胶能够提升橡胶的回弹性能，可以为工业领域提供更多的高弹性橡胶制品。