填料对天然橡胶/溶聚丁苯橡胶减震材料动静刚度比及基本性能的影响

2022-04-27高雪婷徐胜凯孙学红

青岛科技大学学报(自然科学版) 2022年2期

王强,高雪婷,徐胜凯,于良,孙学红*

(1.青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛 266042;2.中国检验认证集团山东有限公司,山东青岛 266071)

减振橡胶是防止振动、冲击的传递或起缓冲作用的硫化橡胶制品[1],广泛应用于机械生产设备、交通运输设备及建筑物的振动隔离。天然橡胶(NR)以其优异的综合性能在减震橡胶中得到广泛应用,但NR的阻尼系数低、阻尼温域较窄,且耐老化性能较差,在要求高温及高减震性能场合的应用受到一定的限制。近些年科研工作者纷纷通过并用不同生胶材料来改善纯NR减震材料的缺点,张剑平等[2]发现在NR中并用部分高反式1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶可显著提高材料的动静刚度比和疲劳寿命。张凯[3]发现并用氯化丁基橡胶后NR复合材料的有效阻尼温域得到有效拓宽。吕婧[4]在NR中并用部分顺丁橡胶改善了材料的减震性能和动静刚度比。徐胜凯等[5]研究发现并用部分高乙烯基溶聚丁苯橡胶(SSBR),能够改善NR基减震材料的耐老化性能和压缩振动过程中动静刚度比的稳定性,使材料的有效阻尼温域向高温区移动。橡胶材料的减震性能,主要与生胶材料[6-7]及填料有关[8-10],填料加入到橡胶基体中可以引发填料与填料、橡胶分子链与填料之间的摩擦,对橡胶的阻尼性能影响很大。填料的种类、粒径以及它们在橡胶中的分散状态对橡胶材料的减震性能及基本力学性能都有重要影响。

阻尼系数和动静刚度比是表征减震性能的主要指标,阻尼系数与材料的减震效果有关,而动静刚度比则反映了材料传递振动的能力[11-12]。理想的减震材料应对振动具有迅速的响应能力,又能在变形的过程中消耗能量,即具有较高的阻尼系数和较低的动静刚度比。为了获得性能优良的减震材料,本工作以NR/SSBR并用材料为基体,考察了炭黑粒径、特殊形状的填料对橡胶复合材料动静刚度比、阻尼系数和基本力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 原材料

NR(SCR 5),西双版纳景阳橡胶有限责任公司;溶聚丁苯橡胶(SSBR-2416),TSRC台橡股份有限公司;炭黑(N330、N375、N550、N660、N774),上海卡博特化工有限公司;氧化锌,硬脂酸,防老剂RD,防老剂4020,促进剂NOBS,促进剂DTDM,硫黄,高岭土,蒙脱土,滑石粉,石墨烯,碳纳米管等均为国产市售产品。

1.2 仪器设备

密炼机,XSM-500型,上海科创橡塑机械设备科技有限公司;双辊开炼机,X(S)K-160型,上海橡塑机械有限公司;无转子硫化仪,MDR2000型,美国ALPHA公司;平板硫化机,HS-100-T-RTMO型,深圳佳鑫电子公司;万能电子拉力试验机,Z005型,德国Zwick/Roell公司;硬度计(GT-GMB型),回弹试验机(GT-7042-RE型),台湾高铁科技股份有限公司;动态力学性能频谱仪(DMTS),EPLEXOR 500N,德国GABO公司;电液伺服材料试验机,MTS 831.50型,美国MTS公司。

1.3 样品制备

NR烘胶、塑炼:NR在60℃下烘胶3 h,开炼机薄通塑炼12次备用。

混炼胶制备:密炼机初始投胶温度70℃,转子转速为70 r·min－1。投入生胶,1.5 min加入氧化锌、硬脂酸、防老剂、微晶蜡等小料,2.5 min加入一半炭黑,4 min加入剩余炭黑,5.5 min扫车,7 min排胶至开炼机上加硫黄、促进剂,薄通下片后备用。

硫化胶制备:硫化温度150℃,压力10 MPa,为了真实考察材料的耐老化性能,硫化时间采取无转子硫化仪测得的理论正硫化时间t100,在平板硫化机上进行硫化。

1.4 性能测试

硫化胶的基本性能,包括拉伸应力应变性能、撕裂强度、邵A硬度、回弹性和压缩永久变形分别参照GB/T 528—2009、GB/T 529—2008、GB/T 531.1—2008、GB/T 1681—2009和GB/T 1683—2018进行测试。

阻尼性能通过DMTS来测试,采用拉伸模式,温度范围－80～80℃,升温速度3℃·min－1,形变0.25%,频率10 Hz。

硫化胶的动静刚度按照GB/T 9870.1—2006《硫化橡胶或热塑性橡胶动态性能的测定第1部分:通则》进行测试。静刚度测试条件:标准式样尺寸为12.5 mm×29 mm的圆柱形试样,对试样施加一个0.5～3 mm的变形,形变量为20%,变形速度为10 mm·min－1,形变达到3 mm时停留1 min,循环2次,测出静刚度Ks。动刚度测试条件:将标准式样放置在试验机上,预加静载500 N,设置振幅为试样厚度的5%,以10 Hz的频率,加载范围0.5～25 k N,循环压缩10 000次,测得动刚度Kd。

压缩疲劳在MTS上进行,为固定压缩形变为标准试样厚度的20%,以10 Hz的频率压缩100 000次,然后分别测试压缩疲劳后试样的动静刚度。

1.5 实验配方

改变炭黑种类的实验配方(质量份):NR,70;SSBR,30;Zn O,5;硬脂酸,3;S,1;CZ,1.5;DM,0.5;防老剂4020,1.5;防老剂RD,1;微晶蜡,1;炭黑(改变品种),30,其中炭黑种类包含N330、N550、N660、N774。

添加不同填料的实验配方同上,炭黑采用N375,添加其他填料及用量(质量份)如下:高岭土,5;蒙脱土,5;滑石粉,5。与上述3种填料相比,石墨烯和碳纳米管的比表面积更大,补强效率更高,兼顾加工性能和成本,石墨烯和碳纳米管的用量均采用1.5份。

2 结果与讨论

2.1 炭黑粒径的影响

将N330、N550、N660、N774 4种不同粒径的炭黑,添加到NR/SSBR并用胶中,考察炭黑粒径对材料动静刚度比及基本性能的影响。

2.1.1 动静刚度比

不同炭黑对NR/SSBR材料压缩疲劳前后动静刚度比的影响如图1所示。

图1 不同炭黑对NR/SSBR材料动静刚度比的影响Fig.1 Effect of different carbon black on dynamic and static stiffness ratio of NR/SSBR composites

由图1看出,材料的动静刚度比随着炭黑粒径的增加而降低,动静刚度比的高低与材料的弹性和分子链的运动能力有关,分子链运动能力越高动静刚度比越低,粒径越小的炭黑,理论上产生的结合橡胶越多,对分子链的限制作用越大,因此材料的动静刚度比越高。压缩疲劳100 000次后材料的动静刚度比均有所增加,压缩疲劳后材料内部的物理及化学结构受到了不同程度的破坏,力学损耗增加,硫化胶对震动的响应能力降低,因此动静刚度比增大,但仍然保持随着炭黑粒径的增大而降低的趋势。

2.1.2 基本力学性能

不同炭黑对NR/SSBR并用材料基本力学性能的影响如表1所示。

表1 不同炭黑对NR/SSBR并用材料力学性能及耐老化性能的影响Table 1 Effect of different carbon black on mechanical properties and aging resistance of NR/SSBR composites

表1中数据符合炭黑补强的基本规律,随着炭黑粒径的增大,材料的拉伸强度、定伸应力、硬度和撕裂强度均降低,拉断伸长率、回弹性和压缩永久变形均增加。

综上所述,炭黑的粒径越大,材料的动静刚度比越低,但强度也越低,因此炭黑的选择应综合考虑减震材料的强度、弹性、压缩永久变形、动静刚度比和阻尼性的要求。

2.2 填料的影响

研究发现各向异性的填料,尤其是片状填料,能够有效改善橡胶的减震阻尼性能[13],本工作选择了5种片状或管状的填料,添加到NR/SSBR并用胶中,并与未添加填料只添加N375的胶料进行对照,分析了不同填料对材料的动静刚度比、阻尼系数和基本力学性能的影响。配方中高岭土、蒙脱土和滑石粉的用量是5份,具有大比表面积的石墨烯和碳纳米管添加量为1.5份。

2.2.1 填料的分散

填料在基体中的分散性影响着胶料的各种性能,通过扫描电子显微镜(SEM)对硫化胶拉伸断面进行了观察,测试结果如图2所示。

由图2中的SEM照片看出,石墨烯和碳纳米管因用量较少,在胶料中分散较好未产生明显的团聚,但裸露的石墨烯填料表面较光滑,表明其与橡胶的结合较弱。填充量为5份的3种填料中,蒙脱土和高岭土的分散性较好,但高岭土的片层尺寸较大,且与橡胶的结合较弱;滑石粉的分散性较差,在胶料中有局部的团聚。

图2 填料在NR/SSBR胶料中分散的SEM照片Fig.2 SEM images of filler dispersed in NR/SSBR composites

2.2.2 阻尼系数

填料对硫化胶阻尼系数的影响如图3所示。

图3 填料对并用橡胶tanδ-T曲线的影响Fig.3 Effect of filler on tanδ-T curve of combined rubber

由图3看出,添加不同填料后并用胶的阻尼峰值均向高温轻微偏移,其中碳纳米管胶料的偏移程度较大,这是因为其管状形态具有较大的长径比和比表面积,对填料表面结合的橡胶大分子的运动能力限制较大有关。读取添加不同填料并用胶的有效阻尼温域(tanδ≥0.3)分别为:N375 47.1℃、高岭土47.7℃、蒙脱土49.0℃、滑石粉47.5℃、石墨烯47.3℃、碳纳米管47.2℃,相同添加量的片状填料中蒙脱土对有效阻尼温域拓宽幅度最高,这与其填料粒径小、分散性好(有关)有关。

2.2.3 动静刚度比

填料对硫化胶压缩疲劳前后动静刚度比的影响如图4所示。