红外光谱法研究炭黑N234与橡胶的相互作用

2018-07-24丁文丽曹翠玲王小菊吴爱芹刘爱芹

橡胶科技 2018年1期

丁文丽，曹翠玲，王小菊，王超，吴爱芹，刘爱芹

（1.思通检测技术有限公司，山东青岛 266045；2.怡维怡橡胶研究院有限公司，山东青岛 266045）

在橡胶中加入填料可以改善胶料的加工性能，提高成品性能，延长成品使用寿命，降低生产成本。炭黑是橡胶工业的主要补强剂，其通过与橡胶形成结合胶来提高胶料的物理性能[1]。炭黑与橡胶的相互作用对轮胎的滚动阻力、生热、耐磨性能和抗湿滑性能等有一定的影响[2]。目前广泛接受的橡胶补强理论有结合胶理论、分子链滑动理论、填料网络理论、炭黑表面结构理论及范德华网络理论[3]。

现在表征炭黑与橡胶相互作用的测试方法有结合胶法、溶胀指数法、核磁共振光谱法等。结合胶法测试未硫化填充胶中不能被橡胶良溶剂抽提出来的橡胶（结合胶）含量，作为与填料-聚合物相互作用有关的填料表面活性的度量[3]；溶胀指数法反映硫化胶的交联密度[4]；核磁共振光谱法利用H-NMR弛豫表征胶料的交联密度[5]。红外光谱法作为实验室常用的测试方法，在炭黑与橡胶相互作用研究中的应用较少。刘莉等[6]用红外光谱法研究天然橡胶（NR）、顺丁橡胶（BR）、丁苯橡胶（SBR）、丁腈橡胶（NBR）与炭黑之间的作用，利用加入炭黑后橡胶基团特征峰红移（向低波数方向移动）表征炭黑与橡胶的相互作用，红移程度越大，炭黑与橡胶的相互作用越强。

本工作通过分析加入不同用量炭黑N234的NR，BR，SBR及其并用胶的红外光谱红移情况，探讨炭黑N234与橡胶的相互作用。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，BR，溶聚SBR（SSBR）、乳聚SBR（ESBR）和炭黑N234均为市售产品。

1.2 主要仪器

TENSOR 27型红外光谱仪，德国布鲁克公司产品。

1.3 试样制备

将不同用量炭黑N234与橡胶制成混炼胶和硫化胶试样系列（如表1所示）。

表1 试样主要组分

1.4 测试方法

红外光谱采用红外光谱仪测试，每个试样重复测试2次，试验条件为：分辨率 4 cm-1，扫描次数 32，波数范围 650～4 000 cm-1，扫描模式衰减全反射模式。

2 结果与讨论

2.1 炭黑N234与单一橡胶的相互作用

2.1.1 炭黑N234用量对橡胶红外光谱的影响

NR/炭黑N234混炼胶的红外光谱如图1所示。从图1可以看出，随着炭黑N234用量增大，橡胶基团特征峰发生红移现象，谱线向上漂移程度增大。这是因为炭黑N234中含有吸电子的大π键，炭黑N234用量增大导致橡胶基团的电子云密度降低，键力常数减小，特征峰发生红移。

图1 NR/炭黑N234混炼胶的红外光谱

因NR，SBR和BR中均含有亚甲基（—CH2—）官能团，官能团按照ISO 4650—2012进行指认。炭黑N234用量对NR红外光谱中亚甲基特征峰波数的影响如图2所示。

图2 炭黑N234用量对NR亚甲基特征峰波数的影响

从图2可以看出，在4种混炼胶系列中，NR/炭黑N234混炼胶红外光谱的亚甲基特征峰波数红移程度最大。这可能是炭黑N234与NR的物理作用强导致的[7]，即炭黑N234与富电子分子链亲和力大，一方面炭黑N234极性基团与NR分子链电子云作用，容易发生极化；另一方面NR分子链电子云与炭黑N234的大π键体系容易发生共轭效应。

从图2还可以看出，随着炭黑N234用量增大，各混炼胶亚甲基特征峰波数红移程度逐渐增大并趋于平稳。这说明随着炭黑N234用量增大，橡胶与炭黑N234之间的作用力增强，炭黑N234用量达到一定值时体系状态趋于稳定。

2.1.2 炭黑N234对橡胶不同基团特征峰红移的影响

添加70份炭黑N234的橡胶不同基团红外光谱特征峰变化如表2所示。

从表2可以看出：与未添加炭黑N234的橡胶