强威粉在天然橡胶汽车减震衬套胶料中的应用研究
2016-07-31吴欣欣王世伟王仁平
吴欣欣，王世伟，王仁平
（上海麒祥化工有限公司，上海 201800）
橡胶工业中广泛使用各种无机填料，大多数无机填料由于粒径较大和表面惰性在胶料中没有补强作用，只能起到填充作用。炭黑和白炭黑与橡胶之间界面强度高，在橡胶中分散性能良好，对橡胶具有很好的补强效应[1-4]。但随着石油资源的匮乏和橡胶制品性能的提高，开发新的高性能补强材料成为当务之急。
强威粉是高岭石经粉碎、水洗、研磨、化学分解、活化处理、烘干、分级和除杂质等工艺精制而成的纳米片层状填料，由1层硅氧四面体和1层铝氧八面体交替组成，层间通过羟基和氧原子形成的氢键结合在一起。经过改性，有机和无机小分子插层进入高岭石层间，使层间剥离，而剥离过程中高岭石片层未受到破坏，且粒径减小至纳米级[5]，可以更好地分散到橡胶中。
铁道、汽车和机械等行业为了降低震动和噪声，多使用减震橡胶制品。铁路车辆和汽车用减震橡胶制品要求具有良好的减震性能、绝缘性能和耐臭氧性能[6-7]，普通补强材料难以满足上述要求。
本工作考察强威粉对丁苯橡胶（SBR）基本配方胶料和天然橡胶（NR）汽车减震衬套胶料性能的影响，并与其他填料和炭黑进行对比，为强威粉在橡胶制品中的应用提供参考。
1 实验
1.1 主要原材料
NR，牌号SMR20，马来西亚产品；SBR，牌号1502，中国石化齐鲁石化公司产品；炭黑N770和N339，上海卡博特化工有限公司产品；强威粉，牌号HTC和KTC，上海麒祥化工有限公司产品。
1.2 主要设备与仪器
XSM-1/20-120型密炼机和XK-160型开炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；MDR2000型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；TCS-2000型拉力试验机，高特威尔检测仪器（青岛）有限公司产品；8802型动态刚度试验机，美国英斯特朗公司产品。
1.3 配方
1.3.1 SBR基本配方
基本配方的主体材料SBR无自补强性能，其物理性能在很大程度上决定于补强剂。SBR基本配方见表1。
表1 SBR基本配方 份
1.3.2 NR汽车减震衬套胶料配方
NR汽车减震衬套胶料配方见表2。
表2 NR汽车减震衬套胶料配方 份
1.4 胶料混炼
1.4.1 SBR基本配方胶料
基本配方胶料分两段混炼。一段混炼在密炼机中进行，密炼室初始温度为80 ℃，转子转速为80 r·min-1，混炼工艺为：生胶→1/2填料和小料→剩余1/2填料→清扫→排胶。二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶→硫化剂和促进剂→薄通→下片。
1.4.2 NR汽车减震衬套胶料
NR汽车减震衬套胶料分3段混炼。一段混炼在密炼机中进行，密炼室初始温度为80 ℃，转子转速为80 r·min-1，混炼工艺为：生胶→1/2填料和小料→1/2填料和油→清扫→排胶。二段混炼在密炼机中进行，密炼室初始温度为70 ℃，转子转速为40 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶→硫化剂和促进剂→排胶。三段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：二段混炼胶→包辊→翻炼3次→下片。
1.5 性能测试
1.5.1 动静刚度比
静刚度测试预载应力为±2 000 N，承载速率为10 mm·min-1，循环3次，在±500 N处取值。
动刚度测试预载应力为50 N，频率和振幅分别为15 Hz和0.5 mm与100 Hz和0.05 mm。
1.5.2 回弹值
回弹值按照GB/T 1681—2009《硫化橡胶回弹性的测定》进行测试。
1.5.3 绝缘性能
绝缘性能按照GB/T 1692—2008《硫化橡胶绝缘电阻率的测定》进行测试。
1.5.4 其他性能
胶料其他物理性能按照相应国家标准进行测试。
2 结果与讨论
2.1 强威粉的理化性能
强威粉KTC和HTC的改性方式不同，结构均为片层状。强威粉的理化性能见表3。
表3 强威粉的理化性能
纳米材料广义上的定义为一次结构至少在一维方向上尺寸为1～100 nm的固体材料[8]。强威粉厚度达到纳米级，因此其属于纳米材料。
2.2 SBR基本配方胶料物理性能
SBR基本配方胶料物理性能如表4所示。从表4可以看出，与分别添加活性碳酸钙、纳米碳酸钙、硬质陶土、硅藻土和滑石粉的A1～A5配方胶料相比，添加相同用量强威粉KTC的A6配方胶料的硬度适中，拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度较高，这主要因为强威粉表面进行了改性，其聚集体尺寸比其他无机填料聚集体尺寸小，在橡胶中分散性能好，对橡胶补强性能较好。
表4 SBR基本配方胶料物理性能
2.3 NR汽车减震衬套胶料性能
NR汽车减震衬套胶料性能如表5所示。从表5可以看出：与添加炭黑N770的B3配方胶料相比，分别添加强威粉KTC和HTC的B1和B2配方胶料的定伸应力、拉伸强度和撕裂强度较高，这是由于强威粉分散性能好，与炭黑和橡胶的相容性较好，且强威粉为片层结构，可以沿拉伸方向取向，使胶料强度性能提高；与B1～B3配方胶料相比，添加矽丽粉的B4配方胶料的300%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度均较低，这是由于矽丽粉尺寸达不到纳米级，其补强效果相对较差。
表5 汽车减震衬套胶料性能
从表5还可以看出：与B3配方胶料相比，B1和B2配方胶料的体积电阻较大，在高频和低频下的动静刚度比均较小，说明强威粉胶料的绝缘性能和减震性能较好；两种强威粉之间比较，强威粉KTC胶料的综合性能较好。
由于强威粉对提高胶料硬度的作用不明显，一般添加5～10份强威粉，胶料邵尔A型硬度增大1度，因此强威粉应增量替代炭黑N770。强威粉用量大可以降低胶料含胶率，从而降低原材料成本。
3 结论
（1）强威粉属于纳米材料，在SBR基本配方胶料中与普通无机填料相比，强威粉的补强性能较好。
（2）强威粉KTC和HTC增量替代炭黑N770，可赋予NR汽车减震衬套胶料优异的强度性能、绝缘性能和减震性能，并降低胶料成本。强威粉KTC和HTC是减震和绝缘橡胶制品的理想填料。
