溶液共凝法制备I R/OMMT复合材料的性能研究

焦克智 高建国 宋国君 李 慧 孙常勇

（1.青岛大学化学科学与工程学院，山东 青岛 266071；2.山东出入境检验检疫局，山东 青岛 266001）

0 前言

异戊橡胶(IR)是由异戊二烯单体聚合而成、与天然橡胶(NR)结构相似的一种合成橡胶。IR纯度高、质量均一，具有较好的综合力学性能。近些年来被广泛用于轮胎、胶带和电线电缆等诸多产品[1]。IR可以在一定程度上补充NR资源不足，因此对IR的研究意义重大。

传统的橡胶增强填料是炭黑和白炭黑，但由于炭黑和白炭黑的相对价格昂贵及密度非常小 （在生产和与橡胶混合过程中极易产生粉尘，造成环境污染和危害人体健康[2]），因此寻找一种不易飞扬、价格低廉、增强效果良好的新型增强剂一直是科技工作者致力解决的问题。有机／无机纳米复合材料是近年来材料科学领域研究的热点[3]，具有广阔的应用前景。蒙脱土(MMT)、膨润土等层状硅酸盐储量丰富，价格低廉，近年来常被用于制备聚合物基纳米复合材料。在橡胶／层状硅酸盐纳米复合材料中，由于层状硅酸盐以纳米尺寸均匀分散在橡胶基体中，其晶层的总比表面积以及形状系数都很高，能明显地改善复合材料的力学性能[4-5]、热稳定性能[6]和气体阻隔性能[7]等。

橡胶／蒙脱土纳米复合材料的研究是近年来聚合物基纳米复合材料领域的热点[4,8-9]。由于蒙脱土特殊的片层结构以及纳米分散形态下的尺寸效应，使蒙脱土在橡胶基质中的界面作用力增强，因此制备出的纳米复合材料可以将蒙脱土的无机物刚性、尺寸稳定性、热稳定性等与橡胶的弹性、可加工性稳定地结合起来，进而制备出具有较好性能的新型橡胶材料。与IR相比，IR/OMMT纳米复合材料具有较高的拉伸强度、撕裂强度和300%定伸应力。国内李超芹[10]等进行了炭黑补强IR性能研究，刘高君[11]进行了白炭黑补强IR性能研究，但对采用溶液共凝法制备的IR/OMMT性能研究国内却鲜有报道。本实验用自制的有机蒙 (OMMT)，以环己烷分散之，用溶液共凝法法制备了IR／OMMT复合材料，初步探究了IR/OMMT复合材料的硫化特性、物理性能及热稳定性能。

1 实验部分

1.1 主要原材料

OMMT:青岛大学高分子材料研究所自制；IR：淄博鲁华泓锦化工股份有限公司；环己烷：市售；其他配合剂均为市售品。

1.2 试样制备

基本配方（质量份，下同）：IR 100,ZnO 5,SA 2,CZ 1,4010NA 1.5,S 2.25,OMMT变量。

按照一定配比将OMMT溶解在环己烷溶液中，在35kHZ下超声30min，然后加入到已充分溶解在环己烷溶剂中的IR胶液中 （胶液：15%）。在60°下充分搅拌30min，挥发溶剂，真空干燥至质量恒定。将纳米复合材料在上海第一橡胶机械厂生产的SK—160B型开放式塑炼机上进行混炼，加入配合剂混炼均匀在上海第一橡胶机械厂生产的QLB350×350×2型平板硫化机145°硫化，即得到IR/OMMT纳米复合材料。

1.3 分析与测试

硫化特性测试：按GB/T16584-1996在上海德杰仪器设备有限公司的MDR2000型无转子型硫化仪上测定二元共混胶的硫化特性，振荡频率 1.7Hz，振幅：±0.5。

物理机械性能：按GB/T529-2008在上海德杰仪器设备有限公司DXLL-50000型电子拉力试验机上测试试样的物理机械性能，拉伸速度为500mm/min。

热稳定性：热重 (TGA)分析用瑞士Metter—Toledo公司生产的TGA／STDA851型TG分析仪分析，测试条件为升温速率10℃／min，温度为25℃～800℃，空气气氛。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

IR/OMMT纳米复合材料的硫化性能如表1所示。从表1得知用OMMT对IR具有促进硫化的作用，具体体现在OMMT加入后，胶料的正硫化时间t90和焦烧时间t10均有所减小。分析认为，OMMT具有优良的导热性能，在橡胶硫化中起到促进硫化作用，通过表1可以看出加入OMMT后胶料的焦烧时间虽然减小但并不影响硫化安全性，正硫化时间的减少可以有效的降低生产能耗。

从表1可以看出，与IR相比，加入OMMT后，纳米复合材料的最大扭矩Fmax均增大，说明OMMT的加入提高了橡胶基体的交联密度，OMMT与橡胶基体有良好的相容性。

表1 不同份数OMMT与IR复合材料的硫化数据

2.2 物理机械性能

表2是不同含量的OMMT对IR改性效果的对比分析

表2是不同含量的OMMT与IR复合所得的复合材料物理机械性能数据，图1是不同含量OMMT对IR改性效果直观图。从图1中可以看出加入OMMT后，IR/OMMT复合材料在多项力学性能上均有较大幅度的提高，在本文中以加入6phr的纳米复合材料性能提高幅度最大，拉伸强度和撕裂强度比未加的纯胶分别提高74%和17%,300%定伸应力也从1.85Mpa提高到2.73Mpa。分析认为，在溶液共凝过程中，IR橡胶大分子的黏度低、流动性好，分子链处于无规状态，容易插层到OMMT片层中去。橡胶分子进入OMMT层间后在搅拌剪切力的作用下逐渐将其剥离成较薄的片层，由于片层已分散至极小尺寸，具有很高的比表面积，因此片层与橡胶分子之间具有较强的作用力。这种特性使OMMT充分发挥出了低填充、高增强的特点，显著增强了复合材料抵抗拉伸和撕裂的能力。

表2 不同含量OMMT对IR改性效果

2.3 热稳定性能

图2是IR与IR/OMMT(6phr)的热失重曲线。从图3显示出IR／OMMT复合材料的最大分解速率温度随OMMT用量的增加而有较大的提高，在OMMT用量为6份时即由IR硫化胶的359℃提高到373℃。分析认为，在IR／OMMT纳米复合材料的热分解过程中，OMMT对IR大分子链有较多的包容，充当了这部分IR的阻隔层，致其热分解行为受到延缓；另一方面，在橡胶基质中以纳米尺寸分散的硅酸盐片层对橡胶分子链的活动性具有显著的限制作用，使橡胶分子链在受热分解时比完全自由的分子链具有更高的分解温度；蒙脱土特有的片层结构可以降低内部因为聚合物分子链分解而产生的可燃性小分子向燃烧界面迁移的能力及外界氧气向燃烧界面内部迁移的速度，因此IR／OMMT复合材料具有较好的热稳定性能。

3 结论

用溶液共凝法制备了IR/OMMT复合材料。OMMT的添加使复合材料的t10、t90均有所减少，胶料的焦烧时间虽然减小但并不影响硫化安全性，正硫化时间的减少可以有效的降低生产能耗。

复合材料的力学性能和热稳定性得到提高。OMMT添加量仅为6份时，IR/OMMT复合材料的300%定伸提高了48%，拉伸强度提高了74%，撕裂强度提高了17%，最大分解速率温度从359℃提高到373℃。

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