异戊橡胶/天然橡胶共混材料的性能研究

摘""""" 要： 异戊橡胶（IR）因其结构和性能与天然橡胶（NR）相似，可部分替代NR应用于轮胎、胶管等领域。用异戊橡胶部分替代天然橡胶，研究了异戊胶添加量对磨耗性能、压缩性能、力学性能、回弹性能以及邵氏硬度性能的影响。结果表明：当异戊胶和天然胶的份数比为40/60时，硫化胶的综合性能最好。

关" 键" 词：异戊橡胶；天然橡胶；共混

中图分类号：TQ330.1""" """文献标识码： A"""" "文章编号： 1004-0935（2023）08-1104-03

异戊橡胶（IR）也被称为顺式聚异戊二烯橡胶，它的化学组成同天然橡胶（NR）的化学组成非常类似，而且两者的立体结构和物理机械性能也非常接近，因此异戊橡胶也被称为合成天然橡胶^[1]。但是，异戊橡胶和天然橡胶的微观结构也稍微有所不同，例如天然橡胶的顺式结构质量分数超过98%，而异戊橡胶的顺式结构质量分数介于92%～97%之间，低于天然橡胶，异戊橡胶的结晶性也低于天然橡胶。在相对分子质量方面，异戊胶的相对分子质量低于天然橡胶，且带有一些支链和凝胶。同天然橡胶相比，异戊橡胶的分子质量更为均一，更加容易塑炼，体积膨胀和收缩率更低，加工流动性更高，因此在已知的所有胶种中，异戊橡胶是替代天然橡胶且综合性能最好的橡胶材料。异戊橡胶首先是由美国公司研究开发的，前苏联及独立国家联合体由于缺乏天然胶资源，在战略上大力发展异戊橡胶，因此其异戊橡胶产业发展较快^[2]。

目前，我国在异戊橡胶替代天然橡胶领域消费的异戊橡胶主要应用于钢丝圈部位。在该部位使用异戊橡胶的优势主要是能够明显改善胶料的加工性能，硫化后胶料的硬度更高且具有更高的撕裂强度和耐磨性，低黏度的胶料在钢丝上包裹的更为均匀。例如，采用15 phr的异戊橡胶来替代天然橡胶用于内胎生产可显著提高经济效益，降低成本，轮胎半成品和成品各项性能也能符合国家的相应标准，尤为重要的是，异戊橡胶部分替代天然橡胶可以使胶料具有更为优良的加工流动性^[3-5]。

此外，异戊橡胶也可用于生产胶管和胶带等，在夹布胶管生产中，使用异戊橡胶能有效降低能耗，简化工序^[6-7]。编织软管常用的骨架材料是聚酯帘线，同天然橡胶材料相比，异戊橡胶在抑制聚酯帘线胺解方面的优势更加明显，非常适合在胶管中使用^[8-10]，因此在本文中，重点研究了胶管用IR部分取代NR混炼胶力学性能的变化。

1 "实验部分

实验原料

天然橡胶（NR），异戊橡胶（IR），硫黄，促进剂CZ，防焦剂CTP，硬脂酸，氧化锌（ZnO），防老剂RD，白艳华，N770炭黑，DOP。

1.2" 实验设备

开放式炼胶机，青岛半球橡胶机械有限公司；平板硫化机，湖州顺力橡胶机械有限公司；微机控制电子万能试验机，协强仪器制造（上海）有限公司；阿克隆磨耗试验机GT-7012-A，彰毅电机工业股份公司。

1.3" 样品制备

按照设计的配方精确称取原料，辊温在室温下，加入NR在双辊开炼机上塑炼，塑炼均匀后，按顺序加入配合剂。混入后，先打三角包（左右两端交替压入），再以0.5 mm辊距薄通6次，最后下片。

1.4" 测试项目

1.4.1 "拉伸性能测试

试样拉伸性能按GB/T528—1998测试，测试温度25 ℃，拉伸速500 mm·min^-1，测定其拉伸强度和断裂伸长率。

1.4.2 "阿克隆磨耗测试

磨耗性能测试按照国家标准《硫化橡胶耐磨耗性能测定》（GB1689—82）进行磨耗试验。将所需试样按在阿克隆磨耗试验机上，预磨5 min后取下，用天平称重，准确到0.001 g，称重后再将其试样按在阿克隆磨耗试验机上，磨耗3 415转后取下试样称其重量，准确到0.001 g，前者减去后者就是磨耗质量。

1.4.3 "邵A硬度测试

邵A硬度按GB /T 531—1999标准测试。

1.4.4 "回弹性能测试

硫化橡胶的回弹性按照《硫化橡胶回弹性的测定》（GB/T1681—91）进行测定。

1.4.5 "压缩永久变形测试

压缩永久变形依据《硫化橡胶恒定形变永久变形的测定方法》（GB1683—81）进行测试。

1.4.6 "压缩生热测试

压缩生热性能依据《硫化橡胶在压缩曲挠试验中温度升高和耐疲劳性的测定》（GB1687—83）进行测试。

1.5" 实验配方

硫黄 2.0、促进剂CZ 1.5、防焦剂CTP 0.3、硬脂酸 2、氧化锌（ZnO） 3、防老剂RD 1、白艳华25、N770炭黑 50、DOP 15、天然橡胶与异戊橡胶是变量。

2 "结果与讨论

2.1" 异戊胶份数对混炼胶力学性能的影响

异戊胶份数对混炼胶力学性能的影响趋势如 图1所示。

由图1可以看出，当异戊胶的添加份数逐渐增加到60 phr时，硫化胶的拉伸强度一直在下降，由最初的20.68 MPa下降到18.25 MPa，继续增加异戊胶的份数，拉伸强度又略有增加，达到18.92 MPa。硫化胶的断裂伸长率和300%定伸强度变化趋势类似，都是数值先增大后减小，并在异戊胶的添加量为40 phr的时达到最高值，此时断裂伸长率和300%定伸强度的值分别是675%和9.5 MPa。这说明部分异戊胶替代天然橡胶可以明显改善天然橡胶的物理机械性能，这可能与两者在共混过程中分子链发生滑移或重排有关，当异戊胶的添加40 phr时硫化胶的综合性能最好。

2.2" 异戊胶份数对混炼胶耐磨性的影响

异戊胶份数对混炼胶耐磨性的影响如图2所示。由图2可以看出，随着异戊胶添加量的增加，阿克隆磨耗体积数值呈先增大后减小的趋势，当异胶添加量为60 phr时，阿克隆磨耗体积达到"" 0.375 cm³，随后阿克隆磨耗体积又不断下降。在混炼胶耐磨性方面，纯的异戊胶和纯的天然胶的磨耗性能都很好，但制成共混胶则明显下降，这可能是异戊胶和天然橡胶共混时相容性较差，导致磨耗体积较大。

2.3 "异戊胶份数对回弹率和硬度的影响

图3为异戊胶份数对回弹率和硬度的影响。

当异戊胶填充份数不断增大，硫化胶的回弹性能不断下降，当异戊胶的份数是60 phr时，回弹率最低，约为27.5%。原因可能是天然橡胶是自补强橡胶，而异戊胶的结晶度低。同时，异戊胶部分替代天然胶的硬度均随着异戊胶添加量的增加而降低。当未添加异戊胶时，混炼胶的硬度最大为62，随着异戊胶继续增加，硬度继续降低，达到27.5。

2.4" 异戊胶对压缩生热的影响

异戊胶对压缩生热的影响如图4所示。由图4可知，随着异戊胶的份数不断增加，混炼胶的生热也不断升高。未添加异戊胶时，温升为35.0 ℃。当异戊胶的添加量为70 phr时，温升可达到49.1 ℃。这说明异戊胶与天然橡胶共混时，混炼胶的内部分子结构变得更为复杂，导致温度上升。

2.5" 异戊胶对压缩永久变形和撕裂强度的影响

异戊胶填充量对共混胶硫化胶压缩永久变形和撕裂强度的影响如图5所示。

由图5可知，随着异戊胶添加份数不断增加，混炼胶的压缩永久变形一直在增加。 这是因为异戊胶结构与天然橡胶的分子结构差异很大，当大相对分子质量低异戊胶添加量增加时，混炼胶的交联结构不完善，导致永久变形增大。混炼胶的撕裂强度随异戊胶添加量增加的变化趋势与压缩永久变形的变化趋势相同，都在一直在增加。

3 "结 论

异戊橡胶部分替代天然橡胶不仅可以补充天然橡胶资源不足，还可以改善制品性能，降低制品成本。从磨耗性能、压缩性能、力学性能、回弹性能等实验结果可以看出，异戊胶和天然橡胶的份数为40/60时，硫化胶的综合性能最好。

参考文献：

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Study on Properties of Isoprene Rubber/Natural Rubber Blends

CUI Zang-kui JIANG Ning

（1. Shenyang No.4 Rubber Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110027， China;

2. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract： Isoprene rubber （IR） is the third largest category of synthetic rubber in the world. Because of its similar structure and performance with natural rubber （ NR ）， IR can partially replace NR in tires， hoses and other fields. In this paper， the effects of IR addition on wear properties， compression properties， mechanical properties， resilience and Shore A hardness were studied. It was found that when the mass ratio of IR to NR was 40/60， the comprehensive performance of vulcanized rubber was the best.

Key words： Isoprene rubber; Natural rubber; Blend