炭黑补强丁苯橡胶的力学性能研究

郝妙琴

(中检评价技术有限公司，陕西 西安 710065)

丁苯橡胶(SBR)是最大的通用合成橡胶品种，也是最早实现工业化生产的橡胶之一[1]。它是丁二烯与苯乙烯的无规共聚物。加工性能及制品的使用性能接近于天然橡胶，耐磨、耐热、耐老化较好，用途广泛。但纯丁苯橡胶强度和模量很低、内耗大、弹性较小，往往需要与其他橡胶、树脂、增强剂等等进行共混改性[2～6]。

炭黑增强丁苯橡胶是以橡胶为基体，以炭黑颗粒为增强相的复合材料。炭黑在橡胶体系中起补强和填充作用，以改善橡胶制品性能。纯丁苯橡胶拉伸强度只有3.5 MPa，没有应用价值，加入炭黑补强后，其拉伸强度提高到25 MPa左右[7～12]。

在炭黑-丁苯橡胶体系中，炭黑以颗粒分散于橡胶体系中，炭黑的活性表面通过物理及化学作用与若干高分子链相结合形成一种交联结构，称为类交联结构。当其中一根分子链受到应力时，可以通过交联点将应力分散到其他分子链上，如果其中某一根链发生断裂，其他链可以照样起作用，而不危及整体；从而使其力学强度大幅升高。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验所用主要材料见表1所示。

1.2 实验仪器

本实验所用仪器设备列示表2。

1.3 实验工艺及路线

1.3.1 混炼工艺

实验采用密炼机炼胶，炼胶采用两段法，即先用密炼机将生胶和除硫磺、促进剂之外的配合剂混炼，得到母炼胶，用开炼机下片之后，将母炼胶停放一定的时间。

表1 实验主要试剂

表2 实验主要设备

1.3.2 开炼工艺路线

母炼胶(塑炼，薄通6次)→硫化体系(吃完料后，左右3/4各割3刀)→打三角包6次→排气下片。

1.3.3 密炼工艺路线

提起上顶栓→加入生胶→压下上顶栓(30～50 min)→提起上顶栓→加入配合剂和2/3炭黑→压下上顶栓(50～60 min)→提起上顶栓→加入剩余1/3炭黑→压下上顶栓(30 min)→提起上顶栓，随后压下(30 min)→提起上顶栓，随后压下(扭矩值开始平稳)→将上顶栓提起一半(扫车)→压下上顶栓(30～50 min)→提起上顶栓→开启下顶栓，排料→开炼机下片后，停放。

2 实验结果与讨论

2.1 炭黑种类对T2000R性能的影响

2.1.1 炭黑种类对T2000R硫化胶拉伸性能的影响

由图1可以得知，随着炭黑粒径的增加，T2000R和1502硫化胶的拉伸强度逐渐降低。这是因为炭黑粒径增加、结构度的降低，炭黑的比表面积减少，生成的结合胶少，补强性降低。从图上还可以看出T2000R的拉伸强度比1502要小，这可能是因为在微观结构上1502的柔顺性比T2000R要好，所以胶料的内聚能比较大，从而使1502的拉伸强度要比T2000R的大。

图1 拉伸强度与炭黑种类的关系

由图2可以得知：T2000R与1502相比定伸应力较小但是差别不大，而且随炭黑粒径与结构度的变化规律相同。它们的定伸应力都是随着粒径的增大而减小，随着结构度的增大而增大。炭黑的性质对硫化胶的定伸应力的影响以结构性能最为明显，随着结构度的提高，定伸应力提高。因为炭黑的结构性高，说明炭黑聚集体中的空隙较多。与填充结构度低炭黑的硫化胶相比，欲达到相同的形变时，填充高结构炭黑的硫化胶中橡胶大分子部分的变形就得大一些，变形所需的外力就要大一些，所以定伸应力要增大。

由图3可以看出：丁苯橡胶的断裂伸长率随着炭黑粒径的增加而降低，随着结构度的增加而降低。而且在结构度和粒径较小的时候，T2000R和1502的断裂伸长率相差不大，当粒径比较大时T2000R的断裂伸长率比1502的下降程度要大。一般随着定伸应力和硬度的增大，断裂伸长率下降。这是因为随着硫化胶定伸应力和硬度的增加，硫化胶在较小的形变下就可能发生破坏。所以硫化胶的伸长率会下降。另外有较大的拉伸强度是大的断裂伸长率的前提，所以从图3得到的规律也可解释硫化胶的断裂伸长率下降。

图2 炭黑种类与定伸应力的关系

图3 炭黑种类与断裂伸长率的关系

2.1.2 炭黑种类对T2000R硫化胶撕裂强度的影响

由图4可知，随着粒径的增大，结构度的降低，T2000R和1502硫化胶的撕裂强度有所降低。在相同粒径的情况下，结构度较低的炭黑能够赋予硫化胶较大的高伸长率，所以能够提高硫化胶的撕裂强度。炭黑的结构度高的时候，包容胶较多，结合胶的网构密度提高，阻碍了大分子链运动，在撕裂的过程中容易产生应力集中点，所以撕裂强度比较低。在整体的趋势上T2000R的撕裂强度要比1502要小。

图4 撕裂强度与炭黑种类的关系

2.1.3 炭黑种类对T2000R硫化胶硬度的影响

由图5能够得到，随着炭黑的粒径增大，结构度的减少，T2000R和1502的硬度逐渐降低。这可能是因为炭黑粒径的增大，使得比表面积的减少，使橡胶的结合胶减少，在一定的程度上使硫化胶的硬度有所降低。随着结构度的提高，说明炭黑聚集体中的空隙较多。与填充结构度低炭黑的硫化胶相比，欲达到相同的形变时，填充高结构炭黑的硫化胶中橡胶大分子部分的变形就得大一些，变形所需的外力就要大一些，所以硬度要增大。

图5 炭黑种类与硬度的关系

2.1.4 炭黑种类对T2000R硫化胶耐屈挠疲劳性能的影响

从图6可以看出，使用N330补强的T2000R和1502硫化胶的耐屈挠性能最好。可能是因为粒径太小，比表面积越大，炭黑对橡胶分子的吸附力大，使得承受应力的橡胶链段不能很快的通过分子运动产生应力松弛，致使橡胶分子链中的化学键在应力作用下被减弱或打断；而粒径太大，对硫化胶的补强作用差，强度低，耐疲劳性能降低。

图6 炭黑种类与屈挠疲劳性能的关系

另外1502硫化胶的耐裂口增长性能随着炭黑粒径的增大变好。可能因为炭黑粒径大，炭黑对橡胶分子的吸附力小，使得承受应力的橡胶链段应力松弛速度较快，则裂纹增长较慢。

2.1.5 炭黑种类对T2000R硫化胶耐磨耗性能的影响

由图7可以看出，随着炭黑粒径的减小，结构度的增大，硫化胶的耐磨耗性能提高。这是因为炭黑的粒径小，结构度高，对橡胶的补强性高的原因。另外，炭黑的粒径和结构度对T2000R和1502硫化胶具有相同的影响规律。

图7 耐磨耗性能与炭黑种类的关系

2.2 炭黑用量对T2000R性能的影响

2.2.1 炭黑用量对T2000R硫化胶拉伸强度的影响

由图8可以看出，随着炭黑用量的增加，硫化胶的拉伸强度先上升后下降，在炭黑用量50份时达到最高值。

图8 炭黑用量与拉伸强度的关系

由图9看出，随着炭黑用量的增大，硫化胶的定伸应力逐渐增大。

图9 炭黑用量与定伸应力的关系

由图10可以看出，随着炭黑用量的增加，硫化胶断裂伸长率先上升后下降。在炭黑用量较低时，随着用量的增加，炭黑对硫化胶的补强作用明显，使得硫化胶的拉伸强度迅速增大，因此断裂伸长率增加；当炭黑用量超过一定值后，形成较多的结合橡胶，限制了橡胶分子链的运动，因此断裂伸长率下降。

2.2.2 炭黑用量对T2000R硫化胶撕裂强度的影响

图11中可以看出，随着炭黑用量的增加，1502硫化胶的撕裂强度升高到一定值后趋向平稳，而T2000R硫化胶的撕裂强度则随着炭黑用量的增加逐渐增大，当炭黑用量超过65份后，T2000R硫化胶的撕裂强度高于1502的。由此可以看出，与1502相比，T2000R具有较高的炭黑填充性能。

图10 炭黑用量与断裂伸长率的关系

图11 炭黑用量与撕裂强度的关系

2.2.3 炭黑用量对T2000R硫化胶硬度的影响

由图12可以看出，T2000R和1502的硬度是呈现出随着炭黑用量的增加线性增加的规律。

2.2.4 炭黑用量对T2000R硫化胶耐屈挠疲劳性能的影响

由图13可以看出，T2000R和1502硫化胶的疲劳寿命随着炭黑用量的增多先增大后减小。这可能是因为炭黑的用量在低于15份时，补强效果作用明显。随着炭黑用量的进一步增加，填料粒子的附聚作用导致橡胶内部结构缺陷增加，应力集中点增加，降低了硫化胶的疲劳寿命。

图12 炭黑用量与硬度的关系

图13 炭黑用量与屈挠性能的关系

2.2.5 炭黑用量对T2000R硫化胶耐磨耗性能的影响

由图14可以看出，随着炭黑用量的增大，T2000R和1502硫化胶的耐磨耗性能都逐渐增大，通常橡胶的耐磨耗性能与硫化胶的拉伸强度成正比地增加，由图14可以得知随着炭黑用量的增加，硫化胶的拉伸强度逐渐增加，所以硫化胶的耐磨耗性能增加。

图14 耐磨耗性能与炭黑用量的关系

3 结论

炭黑对T2000R具有很好的补强效果；炭黑粒径和结构度对T2000R和1502的补强效果具有类似的影响规律。

炭黑用量对胶料的补强性有一最佳值，但是与1502相比，T2000R的炭黑填充量稍高。