炭黑对改性丁基橡胶性能的影响

在一定的温度条件下通过阳离子聚合加工对相关的材料进行合成，从而制造出丁基橡胶。丁基橡胶具有较高的对称性构造，因此丁基橡胶具备优异的阻尼功能，还具有较高的密封性与耐化学材料腐蚀性。但由于丁基橡胶分子构造中相关IP构造物质含量少，从而使其黏性较低，同时也导致需要高温硫化以及硫化时间过长的缺陷。因此为了提升丁基橡胶的使用范围，就要对其实行相应的化学改进加工，对其进行性质的改进。改性方式主要有卤化、马来酸酐、磺化等改良方式。与卤化改性方式进行对比，其他的性质改变方式在改良的过程中会导致丁基橡胶内部分子结构产生断裂，会使丁基橡胶的使用功能下降。本文应用氢化钠（NaH）与马来酸酐（MAH）对丁基橡胶进行性质的改进，在确保丁基橡胶结构完整与功能不会发生改变的情况下，制造出改性丁基橡胶。炭黑是橡胶生产过程中需要用到的一种十分关键的补强剂，炭黑的相关要素的变化会直接影响生产出的橡胶材料的质量。本文通过运用自行研制的改性丁基橡胶，研究炭黑相关要素的变化对改性丁基橡胶的影响。

1 实验部分

1.1 原料

改性丁基橡胶，自制炭黑，硬脂酸，氧化锌，硫磺，促进剂，防老剂以及其他的材料均为市售。

1.2 仪器设备

采用C200E型硫化仪对硫化特性进行测定。采用XLL-250型万能材料试验机来测定硫化胶的拉伸性能。采用美国公司生产的RPA2000型橡胶分析仪来进行性能分析测试。其他设备如开炼机、硫化机、硬度计等采用市场普遍销售的品牌。

1.3 试样制备

（1）基本配方（phr）：MFIIR 100；氧化锌5；硬脂酸1；防老剂A 1.5；促进剂M 0.5；S 1，详见表1。

（2）试样制备：对MFIIR进行塑炼，先在XK-160型双辊开炼机上进行，再将炭黑及各种助剂与塑炼好的MFIIR进行混炼，薄通5次后出片。采C200E型无转子橡胶硫化仪测定混炼胶的硫化特性，测试前需要在室温下停放12h以上。根据得出的工艺条件，采用平板硫化机进行硫化。

表1 胶料配比

1.4 性能测试

采用GB/16584—1996测定胶料的硫化特性，采用GB/T531—2008测定硫化胶的邵尔A硬度，采用GB/T528—2009测定硫化胶的拉伸性能，采用GB/T529—2008测定硫化胶的撕裂性能，采用GBl687—1993测定压缩生热性能。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

通过对研究数据的分析，得出了橡胶的补强性能在一定程度上受到炭黑使用量、炭黑微粒直径以及炭黑表面其他构造的影响。由表2中前四种实验结果可以了解到，伴随炭黑使用量的增长，橡胶的相关数值也逐渐增长，但是增长的速度逐步降低，使该情况发生的主要因素是因为改性丁基橡胶的分子结构增添了新的构造，同时随着炭黑使用量的增长，会使一部分改性丁基橡胶与炭黑的相关结构产生影响，从而构成了包容胶，导致能与炭黑进行反应的橡胶数量下降。另外可以看到，扭矩与橡胶和炭黑的交联程度呈现正比关系。通过比较表2中后两种实验结果可以得到，伴随炭黑直径的扩大，会使改性丁基胶的相关性能产生改变。其主要原因是随着炭黑直径的扩大，比表面积降低，胶料与炭黑接触减少，导致胶料的交联时间延长。同时因为炭黑直径的增加，会使橡胶与炭黑的作用面降低，在一定程度上影响了扭矩差。

表2 混炼胶硫化性能

2.2 力学性能

物理吸附与化学结合是炭黑对橡胶进行补强的两种形式。物理吸附就是橡胶内部的范德华作用力，而橡胶与炭黑极性基团的化学结合作用在补强中发挥重要作用。通过对表3前四号实验结果进行分析，可以发现，伴随炭黑使用量的增长，橡胶与炭黑的互相作用力增强，其主要原因是因为在化学反应的过程中，产生包容胶的数量逐渐增长，导致橡胶内部交联程度逐渐增加，从而使硫化胶的硬度、拉断伸长率、撕裂强度等相关性能产生规律化的变化。但硫化胶拉伸强度出现了先增长后降低的趋势，其主要原因是因为炭黑材料与橡胶胶料在进行混炼过程中，因相关因素的影响难以产生完全均衡的混合材料，从而在混炼胶内部出现不同成分组成的材料区，如纯橡胶区、炭黑区以及凝胶区。纯橡胶区会对橡胶的弹性能力与形变能力产生一定正向的影响，炭黑区会导致橡胶的机械性能出现一定的下滑，凝胶区会影响硫化胶强度、橡胶的相关模量以及橡胶的抗耐磨能力。伴随着炭黑使用量的增长，凝胶区产生数量增长有限，而大多数情况下会产生更多的炭黑区，从而影响橡胶的形变能力。

表3 硫化胶的力学性能

通过对表3中2号、5号与6号实验结果进行分析，发现伴随炭黑直径的扩大，会影响橡胶的相关性能。其主要原因是因为炭黑直径的扩大，会降低橡胶与炭黑发生化学反应的区域，从而导致改性丁基橡胶难以与炭黑的相关分子结构进行化学作用。同时因为包容胶数量的降低，交联密度的减少，在一定程度上会导致橡胶的形变能力、抗拉扯能力、橡胶的强度与橡胶相关的性能产生下降的情况。

2.3 硫化胶压缩生热性能

硫化胶内部结构一旦出现摩擦、分子链的断裂与重新组合的情况，就会导致硫化胶产生压缩生热的现象。通过对表4前四种实验结果进行研究，可以得到，伴随炭黑使用量的增长，炭黑会出现团聚效应。炭黑聚集现象的出现，在相关外部应力的作用影响下，会导致炭黑团之间出现摩擦情况，从而导致硫化胶内部呈现出升温的趋势。通过2号、5号、6号测试结果可以看出，当硫化胶受到较大的压缩应力，产生较大变形的同时不至于产生分子链断裂，从而导致硫化胶产生的热量会伴随着炭黑直径的扩大而降低。

表4 硫化胶压缩生热性能

3 结论

1）随着N330炭黑使用量的增长，橡胶的拉伸强度先增长后降低，而橡胶的其他性能包括硬度、撕裂强度、压缩生热温差都会逐渐增长。

2）随着N330炭黑使用量的增长，橡胶的拉断伸长率出现逐渐降低的趋势。

3）伴随着炭黑粒径的增长，硬度、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度、压缩生热温差逐渐降低。