共混比对NR/BR共混磁流变弹性体性能的影响

姜宽，章婉琪，徐子钦，贾红兵

(南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094)

智能材料是一类能够感知环境的变化，通过自我判断和结论实现指令、执行的新材料[1]。磁流变材料作为新型的智能材料，具有可控性强、可逆性好和响应快等一系列优点[2]，在医疗、建筑和军事等领域有着广泛的应用前景[3～4]。

磁流变弹性体（MRE）是在磁流变液的基础上发展起来的新材料，在保持磁流变液的可逆性、可控性、响应快等特性同时，也克服了磁流变液中颗粒易沉降的问题。由于磁流变弹性体是固体，因此具有结构设计简单、稳定性好、制备成本低等特有的优势[5]。上述优势使得磁流变弹性体成为当前智能材料领域研究的热点之一[6]。

目前对磁流变弹性体材料的研究主要集中在基体材料、铁磁性颗粒以及制备工艺等方面[7]。Chen[8]等研究了天然橡胶基的磁流变弹性体，发现当把微米级的铁粒子混入NR中，在铁粒子质量分数为80%和磁场为1 T时，相对磁流变效应可达133%。Sun[9]等对顺丁橡胶基的MRE进行了研究，发现其相对磁流变效应可达到80%。但单独的NR或BR基MRE都存在一些综合性能方面的缺陷，如BR机械性能差，NR热稳定性差等。所以，研制力学性能好、磁流变性能优的 MRE材料一直是磁流变弹性体研究的热点。本文以NR、BR共混，制得共混基MRE，研究了不同共混比对NR/BR共混基MRE的硫化性能、力学性能、微观结构、磁流变性能和热稳定性的影响，以期得到综合性能优的 MRE材料。

1 实验部分

1.1 实验原料

天然橡胶，马来西亚100/0烟片胶，南京金三力橡塑有限公司；顺丁橡胶，上海高桥石化公司；羰基铁粉（CIP）牌号EW，德国BASF公司；氧化锌、硬脂酸、防老剂RD、防老剂4010NA、促进剂CZ、硫磺，南京金三力橡塑有限公司；古马隆，江苏永华精细化学品有限公司。

1.2 试样制备

使用LN-120型开炼机将NR与BR分别塑炼，再进行共混3 min，待胶料均匀共混后依次加入ZnO、硬脂酸SA、防老剂RD、防老剂4010NA、促进剂CZ，及CIP、古马隆，最后加入硫磺，薄通下片。将混炼胶放置24 h后，薄通3～4次，在MDR2000E型无转子硫化仪上测试胶料的焦烧时间（t10）和正硫化时间（t90）。胶料的配方如表1所示。

表1 NR/BR共混物的MRE配方

1.3 性能测试

硫化性能测试： 使用MDR-2000E无转子硫化仪（无锡蠡园化工设备有限公司产），依照GB/T 16584—1996测试不同共混比NR/BR基MRE的硫化性能。

物理机械性能测试：使用电子万能试验机（深圳三思CMT-4254型）依照GB/T 528—2009测试其拉伸性能，拉伸速率（500±50）mm/min。用邵氏LX-A型硬度计测试材料的硬度。

微观结构分析：取不同共混比NR/BR基MRE置于导电胶上，使用扫描电子显微镜(SEM，PHENOM-G2型)观察MRE横截面的微观结构。

热稳定性测试： 使用差热分析仪(日本岛津DTG-60型)测试分析不同共混比NR/BR基MRE的热稳定性，N2氛围，升温速率20℃/min，温度范围30～600℃。

磁流变效应测试：利用改装的三思CMT-4254型电子拉力机进行压缩测试，参照GB/7757—2009进行压缩测试，应变为4%，不加磁场下，先三次预压缩，第四次通磁场测试，比较零场和有场下MRE材料应力的变化，测试磁场强度为280 mT磁流变效应定义如下[10]：

式中σmax)B为加磁场下测试的应力，σmax)B=0为零场条件下测得的初始应力。

2 结果与分析

2.1 硫化性能

硫化返原现象的产生主要是因为高温下交联网络中分子链段及交联键断裂所致[12]。共混比对NR/BR共混基MRE硫化特性曲线的影响如图1所示。由图中可知，随着BR含量的升高，MRE的返原性减弱。这是因为BR的分子链比NR在高温下更加稳定，不易断裂[11]，从而提高了共混基MRE的抗返原性能。

图1 不同共混比NR/BR的MRE样品硫化曲线

由表2可知，随着BR含量的升高，共混基MRE的t10变化不大，t90不断上升，特别是BR达到50份后时，t90急剧上升。这是因为NR本身硫化时间较短，BR硫化时间的较长，当BR含量较少时，共混胶的硫化时间主要由NR决定，而当BR量达到50份后，共混胶的硫化时间主要由BR决定。此外表2中，共混胶的最大转矩（MH）和最大转矩与最小转矩之差（MH-ML）都随着BR量的增多而增大，这是因为共混胶中BR相中的硫化剂迁移到NR相中，弥补了NR相交联键的断裂，提高了体系的交联密度，从而提高了共混胶的M和

表2 不同共混比NR/BR的MRE样品硫化时间

2.2 物理机械性能

表3为不同NR/BR基MRE力学性能数据，由表可知，NR的拉伸性能优于BR的拉伸，这是因为NR拉伸过程中会发生应变诱导结晶，而BR不具有这一性质，从而使NR的拉伸强度明显优于BR[13]。随着BR含量的升高，共混MRE的硬度不断增加，拉伸强度下降，断裂伸长率上升。

2.3 微观结构

磁性颗粒在基体中的排布是影响材料磁流变性能的重要因素[14]。图2为不同共混比NR/BR基MRE扫描电镜图，由图中可以看出，磁性颗粒在基体中发生了取向。随BR含量的增加，体系的黏度（MH-ML）增加。当BR含量超过25%后，共混胶的ML急剧增加，使得羰基铁粉在基体中的取向困难，导致NR/BR共混胶（NR/BR=25/100除外）的磁流变性能低于纯NR 。

表3 不同共混比NR/BR的MRE样品力学性能

图2 不同共混比NR/BR的MRE样品扫描电镜图

2.4 磁流变性能

图3为不同共混比的NR/BR基MRE磁流变性能图。由图可知，相对磁流变效应的顺序为NR/BR=75/25＞ NR/BR=100/0＞ NR/BR=0/100＞ NR/BR=50/50＞ NR/BR=25/75， 在 NR/BR 为 75/25时，磁流变效应最大，较单独的NR和BR分别提高了27.8%和43.3%。共混基MRE中随着BR量的增加，材料的磁流变性能下降。这是因为，一方面共混胶中当NR含量超过25%时，共混胶的体系黏度（ML）不断上升，羰基铁粉在基体中取向困难；另一方面，NR和BR形成相分离[15]，共混体系中存在一定的界面阻力，同样导致磁性颗粒取向困难，从而导致其磁流变性能下降。

图3 不同共混比NR/BR的MRE样品磁流变性能

2.5 热稳定性

图4和表4分别为不同共混比NR/BR基MRE的TG、DTG曲线图及其TG数据。从图可知，纯NR和BR分别出现一个失重峰，而共混胶出现两个失重峰。其中330～450℃主要是NR的分解温域，450～500℃主要是BR的分解温域，随着BR含量的增加，MRE的热分解温度不断向高温方向移动，热稳定性提高。表明BR的加入提高了NR的热稳定性。所有的曲线后期略有提升，是由于N2不纯导致羰基铁粉发生氧化所致。

图4 不同共混比NR/BR的MRE样品TG、DTG曲线

表4 不同共混比NR/BR的MRE样品TG数据 ℃

3 结论

（1）随着MRE中BR含量的升高，NR/BR的硫化速度下降，返原性减弱 。

（2）随着BR含量的升高，MRE的拉伸强度不断下降，断裂伸长率提高，但是热稳定性增加。

（3）NR/BR为75/25时，共混基MRE的磁流变效应最大，硫化胶的综合的力学性能较好，具有良好的应用前景。

参考文献：

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