白炭黑分散剂H60EF在白炭黑补强丁腈橡胶中的应用

2021-07-19杨振林布乃豪邹盛海李云峰

橡胶科技 2021年10期

郭虎，杨振林，布乃豪，邹盛海，李云峰

（山东阳谷华泰化工股份有限公司国家橡胶助剂工程技术研究中心，山东阳谷 252300）

丁腈橡胶（NBR）是由丁二烯和丙烯腈单体经乳液聚合得到的共聚物。丙烯腈质量分数较大的NBR有助于提高硫化胶的强度和耐磨性能，但会使弹性下降。由于含有丙烯腈极性基团，因此NBR对非极性或弱极性的矿物油、动植物油、液体燃料和溶剂等化学物质具有良好的抗耐性。NBR的耐热性能较好，可在120 ℃热空气中长期使用，耐热氧老化和日光老化性能优异，气密性仅次于丁基橡胶，广泛应用于制备燃料胶管，耐油胶管，油封、动态和静态用密封件，橡胶隔膜，印刷胶辊，胶板，橡胶制动片，胶粘剂，胶带等各种橡胶制品中，成为橡胶制品重要的胶种[1-4]。

白炭黑即水合无定形二氧化硅，是一种大比表面积、高结构度、高活性的补强填料，具有特殊的表面结构、颗粒形态及物理和化学性质，其应用十分广泛。白炭黑与炭黑不同，属于非石油系产品，原料来源广泛、环保可再生，且在橡胶补强填料中白炭黑的用量仅次于炭黑。然而，白炭黑与橡胶的相容性较差，极性较强，其粒子表面的硅羟基相互作用形成氢键，二次团聚和结构化倾向严重，加工性能远不如炭黑。

为使白炭黑在橡胶中良好分散，一般添加硅烷偶联剂，且效果较显著，但白炭黑中的一些活性基团会减弱硅烷偶联剂的作用，从而影响胶料的性能。为进一步改善白炭黑胶料的加工性能，需配合使用特定的白炭黑分散剂，因此开发高品质白炭黑分散剂及改善白炭黑应用性能的研究工作对于橡胶工业具有十分重要的意义[5-7]。

我公司生产的白炭黑分散剂H60EF是以脂肪酸锌皂为主的脂肪酸盐衍生物混合物，作为白炭黑分散剂，尤其适用于含有高活性白炭黑的胶料。白炭黑分散剂H60EF的主要作用是降低胶料门尼粘度、改善胶料流动性，且在胶料停放过程中可以减轻白炭黑的结构化，从而有效保持胶料的门尼粘度稳定，改善后续加工。

本工作研究白炭黑分散剂H60EF在白炭黑补强NBR中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

NBR，牌号1052，镇江南帝化工有限公司产品；白炭黑175GR，潍坊海化股份有限公司产品；白炭黑分散剂H60EF，山东阳谷华泰化工股份有限公司产品。

1.2 配方

生产配方：NBR 100，白炭黑175GR 50，氧化锌 5，硬脂酸 1，偶联剂TESPT 5，防老剂4020 1.5，防老剂RD 1，软化剂 7，硫黄3.5，促进剂 1.2。

试验配方：除添加3份白炭黑分散剂H60EF外，其他同生产配方。

1.3 主要设备和仪器

X（S）M-1/10-120型密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；XK-160型开炼机，大连诚信橡塑机械有限公司产品；HS-100T-RTMO型平板硫化机，佳鑫电子设备科技（深圳）有限公司产品；MDR2000型无转子硫化仪和MV2000型门尼粘度试验机，美国阿尔法科技有限公司产品；3365型万能电子拉力试验机，美国英斯特朗公司产品；FT-1260型压缩生热试验机，日本上岛制作所产品；GT-7017-M型热老化试验机、GT-7011-DG屈挠试验机和GT-7012-AH1型高温AKRON耐磨试验机，高铁检测仪器有限公司产品；VHX-7000型数码显微系统，日本基恩士公司产品；D-RPA3000型橡胶加工分析（RPA）仪，德国Montech公司产品。

1.4 混炼工艺

胶料混炼分两段进行。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40 r·min-1，混炼工艺为：生胶、压压砣（60 s）→提压砣、加1/2白炭黑、防老剂等小料（10 s）→混炼（60 s）→提压砣、加剩余1/2白炭黑→混炼（60 s），中位清扫（10 s）、压压砣混炼（50 s）→排胶（145 ℃）。二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶→硫黄和促进剂→充分混炼后下片。

1.5 性能测试

胶料各项性能和成品性能均按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化性能

白炭黑分散剂H60EF的理化性能见表1。

由表1可以得出，白炭黑分散剂H60EF理化性能符合企业标准要求。

表1 白炭黑分散剂H60EF的理化性能

2.2 硫化特性

胶料的硫化特性见表2，tanδ为损耗因子。

表2 胶料的硫化特性

从表2可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度较小，从胶料不同停放时间的门尼粘度可知，添加白炭黑分散剂H60EF的胶料门尼粘度较低，说明白炭黑分散剂H60EF可通过内润滑和物理包覆减少白炭黑二次团聚，从而降低胶料的门尼粘度，改善加工性能；t10和t90缩短，加工性能相对较好，生热无增大趋势。

2.3 物理性能

硫化胶的物理性能见表3。

表3 硫化胶的物理性能

从表3可以看出：与生产配方硫化胶相比，试验配方硫化胶的300%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度均有不同程度提高，耐磨性能和耐屈挠性能略有提高。老化后硫化胶各项性能变化规律与老化前大致相同，说明白炭黑分散剂H60EF对胶料的耐老化性能基本无影响。

2.4 分散性

硫化胶断面的显微镜照片见图1。

图1 硫化胶断面的显微镜照片（放大300倍）

从图1可以看出，未添加白炭黑分散剂H60EF的白炭黑补强NBR中白炭黑粒子与橡胶间的界面清晰，且有大块结合胶，而添加白炭黑分散剂H60EF的白炭黑补强NBR中白炭黑粒子的尺寸变小，无明显结合胶，白炭黑粒子与橡胶的界面模糊，说明白炭黑分散剂H60EF促进分散作用明显。

2.5 RPA分析

混炼胶的弹性模量与应变的关系曲线如图2所示。

图2 混炼胶的弹性模量与应变的关系曲线

从图2可以看出：在较低应变下，生产配方混炼胶的弹性模量较大，随着应变增大，弹性模量快速下降，之后在大应变下，弹性模量趋于稳定，具有明显的Payne效应，说明体系内有大量白炭黑聚集体；与生产配方混炼胶相比，试验配方混炼胶的Payne效应不明显，可以推测白炭黑分散剂H60EF使白炭黑在NBR中得到良好分散，使白炭黑与橡胶的接触面积增大，这与数码显微镜的观测结果一致。