超细硅酸铝在天然橡胶中的补强性能研究

张怡华，王艳（天津七二九体育器材开发有限公司，天津，300384）（天津市质量监督检验站第四十二站，天津，300384）

超细硅酸铝在天然橡胶中的补强性能研究

张怡华1，王艳2
（1天津七二九体育器材开发有限公司，天津，300384）
（2天津市质量监督检验站第四十二站，天津，300384）

研究了超细硅酸铝在天然橡胶中部分替代白炭黑对混炼加工性能和物理机械性能的影响。

天然橡胶、硅酸铝、补强、偶联剂、白炭黑。

前言

随着橡胶工业的发展，原材料和能源价格不断上涨，导致消耗量最大的补强填料-炭黑、白炭黑在橡胶工业中的应用受到限制。再者，由于人们对浅色橡胶制品需求增加，橡胶工业对无机浅色填料的需求特别大。超细硅酸铝是一种新型功能性硅酸盐，被人们称作“合成高岭土”。它属于一种层状硅酸盐，具有颗粒细、白度高等特点。本文研究了超细硅酸铝部分替代白炭黑在天然橡胶中的补强性能。

1　实验部分

1.1主要原材料

SCRWF标准天然橡胶，云南农垦集团有限责任公司；超细硅酸铝 AS881：河北廊坊津固化工厂；白炭黑175：罗地亚（青岛）白炭黑有限公司产品；硼酸酯偶联剂：青岛四维化工有限公司产品；其它助剂均为市售工业级。

1.2仪器与设备

XK-160型开炼机，大连橡胶塑料机械股份有限公司；YX-100型平板硫化机，上海西玛伟力橡塑机械有限公司；XSM-500橡塑试验密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司；GT-7080-S2型门尼粘度仪，高铁检测仪器有限公司；GT-7042-RE橡胶回弹性实验机，高铁检测仪器有限公司；电子拉力强度试验机，台湾高铁科技有限公司；M-2000无转子硫化仪，台湾高铁科技有限公司。

1.3实验配方及测试

1.3.1试验配方

NR 100、SA 0.8、石蜡 0.5、ZnO 5、超细硅酸铝/白炭黑 50、PEG4000 6、环烷油 30、防老剂SP 2、LH-881树脂 2、S 2.6、促进剂D 0.4、促进剂M 0.6、促进剂DM 1.2

1.3.2性能测试

硫化特性测试采用M2000型无转子硫化仪按GB/T 9869-1997在160℃进行测试，根据硫化仪曲线确定工艺正硫化时间；门尼测试采用EKT-2000M型门尼粘度计，按照国标GB/T1232.1-2000测定门尼粘度；力学性能的测试采用GT-AI-7000M型拉力试验机按GB/T528-1998测试试样的拉伸强度和拉断伸长率；硬度的测定用硬度测试仪按 GB/T 531-1999标准在室温下测定样品的硬度；冲击弹性的测定用回弹性试验机按GB/T 1681-91标准在室温下测定样品的冲击弹性；

1.4试样制备

1.4.1改性超细硅酸铝的制备

将计量好的超细硅酸铝倒入高速搅拌机内，开机搅拌，打开油浴加热开关，待料温达到80℃后加入计量好的硼酸酯偶联剂；继续搅拌20 min后，停机，倒出改性超细硅酸铝，备用。

1.4.2混炼胶的制备

用0.5L试验密炼机制备混炼胶，混炼工艺如下：

密炼机混炼工艺起始温度为50℃，转子转速为77r/min。将NR投入开炼机塑炼5遍，制成塑炼胶。塑炼胶（60s）→小料（SA、石蜡、ZnO、SP、LH-881）（60s）→填料、油（180s）→硫黄、D、M、DM（60s）→提上顶栓，清扫，落上顶栓（60s）→排胶。

开炼机下片，前后辊筒起始温度70℃，辊距1.5mm，包辊1min，左右3/4处割胶各2次，0.5mm薄通5遍，2mm下片制得混炼胶。

1.4.3硫化试样的制备

使用无转子硫化仪测试混炼胶 160℃下的硫化时间，使用平板硫化机硫化试样：拉伸、撕裂试样硫化条件为160℃×10MPa×（tc90+1min）；回弹试样硫化条件为160℃×10MPa×（tc90+2 min）。

2　结果与讨论

2.1超细硅酸铝取代白炭黑的用量

1#胶料至5#胶料中，超细硅酸铝/白炭黑的比例逐渐增加，通过对5种胶料性能的测试，确定超细硅酸铝取代白炭黑的合适用量。

2.1.1混炼特性

表1　胶料混炼能耗及排胶温度

由表1可以看出，用超细硅酸铝取代部分白炭黑后，胶料的混炼能耗和排胶温度均降低，且随超细硅酸铝取代白炭黑量的增多而逐渐降低，表明混炼超细硅酸铝胶料的能耗和生热性低于白炭黑胶料。这与超细硅酸铝为片层粒子结构，粒径比较大，且表面活性低有关。

2.1.2门尼黏度及门尼焦烧

表2　胶料的门尼黏度与门尼焦烧

从表2中可以看出，超细硅酸铝取代白炭黑后混炼胶的门尼黏度会明显下降。门尼黏度随着超细硅酸铝用量的增多逐渐减小的原因是白炭黑的高比表面积和高结构度，具有强大的能屏蔽胶料弹性作用，导致白炭黑在胶料中会以凝胶为中心聚集成团，使白炭黑在胶料中的流体力学体积增大，流动性变差，导致门尼黏度增大。而超细硅酸铝为片层结构，粒径大，比表面积小，对胶料的吸附及屏蔽作用弱。因此随超细硅酸铝取代白炭黑用量的增多，白炭黑流体力学体积增大的效应会减弱，胶料的流动性变好。所以从1#胶料到5#胶料，随着超细硅酸铝用量的增加，门尼黏度明显减小。

从表2中也可以看出，门尼焦烧时间t5延长，原因在于胶料门尼黏度下降，流动性变好，在模腔内保持流动性的时间延长引起的。说明胶料的加工安全性略有提高，更适合于工厂实际生产。

2.1.3硫化特性

表3　胶料硫化特性

从表3中可以看出，胶料中超细硅酸铝取代白炭黑后，工艺正硫化时间 tc90明显缩短。tc90明显缩短的原因主要是白炭黑表面有比较强的吸附性，可以和水以氢键的形式结合，形成多分子吸附层；还可以吸附胶料中的促进剂，从而有延迟硫化的作用；其次，白炭黑表面显酸性，也会有延迟硫化的作用。以上两方面使混炼胶的 tc90明显延长，而超细硅酸铝对促进剂的吸附性很小，pH 9.7-10.8，延迟硫化胶料现象很弱。所以从1#胶料到5#胶料，随着超细硅酸铝的用量依次增加即白炭黑用量依次减少，混炼胶的tc90逐渐缩短。

2.1.4物理机械性能

表4　硫化胶物理机械性能

（1）拉伸撕裂性能

从表4中可以看出，随着超细硅酸铝用量的增加，硫化胶的拉伸强度和撕裂强度均有所下降，而 100%定伸、300%定伸变化不大，扯断伸长率略有下降。

其原因主要是超细硅酸铝具有无机矿物表面固有的亲水疏油性，在橡胶等有机聚合物中的浸润性差，不易分散，大量填充会导致材料机械性能下降。

（2）硬度和冲击弹性

从表4可以看出，超细硅酸铝取代部分白炭黑后，随超细硅酸铝取代炭黑量增多，胶料的硬度逐渐下降，冲击回弹有所增大。这与超细硅酸铝粒径大，比表面积小，表面活性低有关。

3　结论

超细硅酸铝取代部分白炭黑后，胶料的混炼能耗和排胶温度均降低；门尼黏度会明显下降；工艺正硫化时间tc90明显缩短；硫化胶的拉伸强度和撕裂强度均有所下降，而 100%定伸、300%定伸变化不大，扯断伸长率略有下降；胶料的硬度逐渐下降，冲击回弹有所增大；实际应用中可根据实际需要调整超细硅酸铝/白炭黑的比例，达到既节能降耗，降低成本，改善胶料弹性滞后损耗，又能够接近白炭黑补强性能的效果。

［1］ 戴俊.硅酸盐在橡胶补强中的应用［J］.合成材料老化与应用，2005.02.（44～49）；

［2］ 许晓秋，莫士杰.活性偏硅酸铝橡塑补强填料在橡胶制品中的开发应用［J］.天津橡胶，1997，04（2～4）。

张怡华（1982～），男，天津七二九体育器材开发有限公司研发工程师，主要从事乒乓球套胶配方设计及加工工艺设计。