凹凸棒土在天然橡胶/三元乙丙橡胶中的应用研究

王国志，刘晓蕾，宋帅帅，侯亚合，翁国文，郑贝

(徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140)

凹凸棒土在天然橡胶/三元乙丙橡胶中的应用研究

Application of attapulgite in natural rubber/EPDM

王国志，刘晓蕾，宋帅帅，侯亚合，翁国文，郑贝

(徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140)

采用不同类型的改性后的新型凹凸棒土与天然橡胶/三元乙丙橡胶混合，制备出性能优异的AT/NR/EPDM纳米复合材料，并对其力学性能进行测试。研究结果表明，凹凸棒土R61型号的各方面的性能优于R51，R11型号的凹凸棒土，并且当凹凸棒土用量为40份时，AT/NR/EPDM复合材料综合性能最好，其定伸应力、撕裂强度、硬度分别达到1.07 MPa，15.55 MPa和51邵氏A，其配方为：NR:EPDM=1:1,氧化锌4份，硬脂酸2份，古马隆2份，促进剂1.4份，防老剂3份，硫磺2份，石蜡油10份，聚乙二醇4份，凹凸棒土（R61）40份。

凹凸棒土；天然橡胶；三元乙丙橡胶

凹凸棒土，简称凹凸土（attapulgite,AT），又名 坡 缕 石（palygorskite）， 其 化 学 分 子 式 为：Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4.4H2O。AT是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的黏土，国内于1979年首次发现凹凸棒土[1]。AT最小结构单元是直径20~40 nm，长度500~5 000 nm的纳米单晶，单晶平行排列形成晶束，晶束又相互聚集形成各种聚集体[2]。因此，从结构尺寸上来看，AT是高分子材料的理想补强剂。此外，相对于炭黑、白炭黑这些传统填料，AT储量丰富，价格低廉，可较好的解决未来因纳米技术改造传统复合材料所出现的人工纳米单元材料批量小、成本高等问题。因此利用AT的一维纳米棒晶对AT进行高附加值开发无论从理论上还是实际应用都具有重要的意义[6~7]。

乙丙橡胶有优异的耐水蒸汽性能并优于其耐热性。在230 ℃过热蒸汽中，近100 h后外观无变化[3]。乙丙橡胶耐过热水性能亦较好，但与所用硫化系统密切相关。以二硫代二吗啡啉、TMTD为硫化系统的乙丙橡胶，在125 ℃过热水中浸泡15个月后，力学性能变化甚小，体积膨胀率仅0.3%[4]。乙丙橡胶具有优异的电绝缘性能和耐电晕性，电性能优于或接近丁苯橡胶、氯磺化聚乙烯、聚乙烯和交联聚乙烯。由于乙丙橡胶分子结构中无极性取代基，分子内聚能低，分子链可在较宽范围内保持柔顺性，仅次于天然橡胶和顺丁橡胶，并在低温下仍能保持。乙丙橡胶由于分子结构中缺少活性基团，内聚能低，加上胶料易于喷霜，自黏性和互黏性很差[5]。

天然橡胶具有优异的综合物理机械性能,在常温下具有很好的弹性。其密度为0.913 g/cm，弹性模量为2~4 MPa，而伸长率最大可达1 000%。在0~100 ℃范围内，天然橡胶的回弹性可达到50%~85%以上。天然橡胶常温为高弹性体，玻璃化温度为-72 ℃，受热后缓慢软化，在130~140 ℃开始流动，200 ℃左右开始分解，270 ℃剧烈分解。天然橡胶不耐环己烷、汽油、苯等介质，不溶于极性的丙酮、乙醇等，不溶于水，耐10%的氢氟酸、20%盐酸、30%硫酸、50%的氢氧化钠等。不耐浓强酸和氧化性强的高锰酸钾、重酸钾等[8~9]。天然橡胶由于相对分子质量高、相当分子质量分布宽，分子链易于断裂，再加上生胶中存在一定数量的凝胶分子，因此很容易进行塑炼、混炼、压延、压出、成型等[10]。

因此，本文主要研究不同型号及不同份数凹凸棒土填充NR/EPDM的力学性能。

1 实验

1.1 实验原材料

三元乙丙橡胶，天然橡胶（吉林石化）；凹凸棒土（R51，R61，R11)，玖川纳米材料科技有限公司。

1.2 胶料的制备

将双辊开放式炼胶机启动，开启冷却水，将辊距调小，投放生胶，进行破胶形成连续的包辊胶后，按基本配方依次加入氧化锌、硬脂酸、促进剂NOBS、防老剂4010NA、防老剂D、古马隆、凹凸棒土、石蜡油、聚乙二醇，最后加入促进剂TT和硫磺后混炼，混炼温度控制在50~70 ℃。混炼过程中采用小辊距薄通法，经多次反复捣胶压炼使胶料与各种配合剂、填料以及硫磺充分混合。

1.3 工艺流程

本次试验主要工艺流程图如图1。

图1 工艺流程图

1.4 工艺要求

1.4.1 炼胶

在炼胶机上将各种配合剂均匀的加入具有一定塑性的生胶中。在混炼过程中要保证配合剂均匀分散，否则会对橡胶的一些性能造成影响。辊距为（1.7±0.2）mm，前辊温55 ℃，后辊60 ℃；薄通3~5次；下片厚为（3.0±0.2）mm。

1.4.2 硫化

通过无转子硫化仪GT-M2000A 测出最佳硫化时间，然后将胶料停放24 h后放入平板硫化机QLB-100中，在153 ℃、10~15 MPa下硫化，使橡胶制品的宏观特征、微观结构都发生变化，从而获得制品要求的物理机械性能和相应的使用性能的试片[11]。

2 结果与讨论

2.1 物理机械性能

2.1.1 老化前物理机械性能

从表1中可以看出，拉伸强度最大的是R61-20AT，为4.40 MPa；定伸应力最大的是R61-30AT，为0.99 MPa；撕裂强度最大的是R61-20AT和R61-40AT，为15.55 kN/m；100%扯断伸长率最大的是R61-20AT，为577%；硬度最大的是R61-40AT，为51邵氏A。

表1 R61型号的AT/NR/EPDM的物理机械性能数据

从表2中可以看出，拉伸强度最大的是R51-30AT，为4.80 MPa；定伸应力最大的是R51-40AT，为0.91 MPa；撕裂强度最大的是R51-40AT，为15.43 kN/m；100%扯断伸长率最大的是R51-30AT，为781%；硬度最大的是R51-40AT，为46邵氏A。

表2 R51型号的AT/NR/EPDM的物理机械性能数据

从表3中可以看出，拉伸强度最大的是R11-30AT，为4.25 MPa；定伸应力最大的是R11-40AT，为0.90 MPa；撕裂强度最大的是R11-40AT，为16.11 kN/m；100%扯断伸长率最大的是R11-40AT，为646%；硬度最大的是R11-40AT，为48邵氏A。

表3 R11型号的AT/NR/EPDM的物理机械性能数据

2.1.2 老化后物理机械性能

从表4中可以看出，拉伸强度最大的是R61-20AT，为4.55 MPa；定伸应力最大的是R61-40AT，为1.21 MPa；撕裂强度最大的是R61-40AT，为17.58 kN/m；100%扯断伸长率最大的是R61-20AT，为504%；硬度最大的是R61-40AT，为51邵氏A。

表4 R61型号的AT/NR/EPDM的物理机械性能数据

从表5中可以看出，拉伸强度最大的是R51-40AT，为4.50 MPa；定伸应力最大的是R51-40AT，为0.84 MPa；撕裂强度最大的是R51-40AT，为16.13 kN/m；100%扯断伸长率最大的是R51-20AT，为720%；硬度最大的是R51-40AT，为50邵氏A。

表5 R51型号的AT/NR/EPDM的物理机械性能数据

从表6中可以看出，拉伸强度最大的是R11-40AT，为4.46 MPa；定伸应力最大的是R11-40AT，为1.02 MPa；撕裂强度最大的是R11-40AT，为17.22 kN/m；100%扯断伸长率最大的是R11-40AT，为567%；硬度最大的是R11-40AT，为52邵氏A。

表6 R11型号的AT/NR/EPDM的物理机械性能数据

3 实验结论

（1）本次试验中，老化前拉伸强度在R51-30AT处最优，为4.80 MPa，R61的胶料综合性能最好。

（2）本次试验中，老化前定伸应力在R61-40AT处最优，为1.07 MPa，R61的胶料综合性能最好；老化后为1.21 MPa，R61的胶料综合性能最好；老化后的最大定伸应力大于老化前的最大定伸应力。

（3）本次试验中，老化前撕裂强度在R11-40AT处最好，为16.11 kN/m，R11的胶料综合性能最好；老化后撕裂强度在R61-40AT处最好，为17.58 kN/m。

（4）本次试验中，老化前100%扯断伸长率在R51-30AT处最佳，为781%，R51的胶料综合性能最好；老化后100%扯断伸长率在R51-20AT处最优，为720%，R51的胶料综合性能最好。

（5）本次试验中，老化前硬度在R61-40AT处最优，为51邵氏A，R61的胶料综合性能最好；老化后硬度在R61-40AT处最优，为54邵氏A，R61的胶料性能最好。

（6）综合性能最好的配方为R61-40AT，配方为：三元乙丙橡胶/天然橡胶：50/50；氧化锌4，硬脂酸2，促进剂NOBS1，促进剂TT0.4，古马隆2，防老剂4010NA1.8，防老剂D2，石蜡油10，凹凸棒土（R61）40。

[1] 梁文利，田明.凹凸棒土增强橡胶复合材料的制备及其结构与性能研究[J].北京化工大学学报,1999,26(3).

[2] 彭书传，范文元.改性凹凸棒粘土作为橡胶补强剂的研究.合肥工业大学学报,1996,19(3).

[3] 聂恒凯.橡胶材料与配方[T]； 2版，北京，化学工业出版社,2009,6.

[4] 曲成东，田 明，冯予星，等.凹凸棒土/聚合物复合材料研究进展.合成橡胶工业,2003,26(1)．

[5] 张玉龙，孙敏．橡胶品种与性能手册[M]．北京：化学工业出版社，2006,46~55.

[6] 马玉衡,方为民,马小洁.凹凸棒土的研究与应用进展[J].2004,37,25.

[7] 谢遂志，等，橡胶工业手册（第一，二分册）.北京：化学工业出版社，1989.

[8] 聂恒凯.橡胶材料与配方[M].北京：化学工业出版社,2009,16~17.

[9] 翁国文.实用橡胶配方技术[M].北京：化学工业出版社，2008,41.

[10] 翁国文．配合与塑混炼操作技术[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2008,28~32.

[11] 聂恒凯，徐志和，韦帮风.橡胶通用工艺[M].北京：化学工业出版社，2009,51.

（R-02）

TQ332 TQ333.4 TQ110.4

1009-797X(2016)07-0053-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.015

王国志（1979-），男，硕士，主要研究方向为橡胶加工与应用。

2015-06-02