炭黑在异戊橡胶中的分散及其对动静态性能的影响北大核心CSCD

橡胶在使用时往往需要在生胶中加入填料颗粒以提高其力学强度,填料在橡胶中的分散状态对其使用性能有显著影响。为了明晰填料分散状态对橡胶动静态性能的影响规律,设计了不同的胶料混炼工艺,进而获得具有不同分散程度的橡胶材料,并对其分散等级、颗粒聚集体尺寸分布、胶料硫化性质、橡胶拉伸以及疲劳等性质进行了系统研究。结果表明,在所研究的密炼时间4~16 min范围内,随着密炼时间的延长,填料在基体中的分散度等级有较大程度的提高,密炼时间为16 min时填料分散等级达到了8.1级,胶料的门尼粘度下降显著,但胶料的拉伸性能变化不明显,而动态疲劳性能得以显著改善。随着开炼包辊时间的延长,填料在基体中的分散度等级呈先升高后降低的趋势,橡胶的动态疲劳性能也先升高后降低,当开炼包辊时间为20 min时,硫化胶的伸张疲劳寿命达到4×10~4次,继续延长包辊时间硫化胶的伸张疲劳寿命下降至2.3×10~4次;但是胶料整体的拉伸性能变化不明显。由此可见,通过调整混炼工艺可以改善填料在橡胶基体中的分散状态,进而提高胶料的疲劳性能。     

炭黑N134在不同橡胶基体中的分散及其混炼工艺调控

以炭黑N134作为填料,对比了异戊橡胶、丁苯橡胶及仿生橡胶3种体系下混炼工艺对硫化胶性能的影响,并针对仿生橡胶体系炭黑分散度低的问题,对混炼工艺进一步优化,从而提高分散度和动静态性能.结果表明,在所研究的密炼时间范围内,随着密炼时间的延长,异戊橡胶体系和丁苯橡胶体系的分散等级由原本的1级左右提升至6级以上.但延长密炼时间并未明显提升仿生橡胶体系的炭黑分散度.针对该问题引入塑炼和包辊工艺,仿生橡胶炭黑分散性明显提高.随炭黑分散等级的增加, 3种橡胶体系的伸张疲劳性能均得到了较大改善.其中仿生橡胶生胶经塑炼后,门尼黏度和重均分子量均明显下降,表明塑炼对于增强胶料的加工性能有明显作用.相同炭黑混炼时间下,随着塑炼时间的延长,硫化胶佩恩效应也增强,这主要是由于炭黑分散程度的提高使得炭黑与橡胶基体的有效接触面积增加,进而在一定程度上增加了界面结合胶的含量.     

硅土/白炭黑复合填料对天然橡胶硫化胶性能的影响

硅土主要是由低温石英和粘土矿物组成的非金属矿物,具有独特的粒片叠置结构。本工作采用经改性处理的硅土与白炭黑并用,测定硅土/白炭黑复合填料对天然橡胶(NR)的硫化特性和力学性能,探讨填料并用对天然橡胶性能的影响。实验结果表明:经改性处理,硅土平均粒径减小,疏水性增强。硅土与白炭黑并用,有利于增强NR硫化初期的流动性,延长焦烧时间而不明显降低硫化速率,能改善橡胶的加工性能。拉伸性能测试结果表明,复合填料与白炭黑或硅土单独使用相比,能显著提高填充NR硫化胶的拉伸强度、定伸应力、交联密度,而不降低橡胶弹性。当硅土占复合填料质量为40%时,NR硫化胶的拉伸强度达到最大。动态机械性能测定结果表明,相比白炭黑,硅土更有利于减小硫化胶的生热和滚动阻力。     

反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶改性的高性能轿车轮胎胎面胶的结构与性能

研究了新一代合成橡胶-反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR)在高性能轿车轮胎胎面胶(溶聚丁苯橡胶/顺丁橡胶(SSBR/BR))中的应用及SSBR/BR/TBIR共混胶的结构与性能.结果表明,相对于无定型的SSBR和BR,TBIR由于具有一定的结晶性而呈现出较高的生胶强度、模量和韧性.但相比反式聚异戊二烯(TPI),由于丁二烯单体单元的引入降低了聚合物链的结构规整性,TBIR的结晶熔融焓、熔点和玻璃化转变温度均明显降低.采用10~20份TBIR与SSBR/BR并用改性,同时加入30份炭黑和45份白炭黑,SSBR/BR/TBIR混炼胶的格林强度和定伸应力提高,焦烧时间(tc10)和工艺正硫化时间(tc90)基本保持不变.SSBR/BR/TBIR混炼胶经过150oC硫化反应,制备的硫化胶物理机械性能优异,抗拉伸疲劳性能提高4.6~6.3倍,压缩强度提高21.4%~23.1%,耐磨耗性能提高10.8%~15.1%,耐湿滑性能提高13.6%~40.4%,滚动阻力维持不变.填料分散仪和透射电镜(TEM)结果表明,相比SSBR/BR硫化胶,SSBR/BR/TBIR硫化胶填料分散度提高7.3%~14.9%,填料聚集体平均尺寸降低1.4~2.7μm.可结晶的TBIR的高生胶强度及模量可显著抑制混炼胶中填料的聚集,改善硫化胶中填料的分散性,最终贡献于SSBR/BR/TBIR硫化胶优异的抗拉伸疲劳性、高的耐磨性、抗湿滑性、压缩强度、定伸模量等性能,TBIR是应用于高性能轿车轮胎胎面胶的一种理想新合成橡胶.     

异戊橡胶中填料的絮凝及其对性能的影响

针对硫化过程对异戊橡胶中的填料絮凝及其性能的影响等问题, 通过改变硫化温度和硫化时间, 对比研究了炭黑、 白炭黑、 炭黑/白炭黑混合填料体系中的填料絮凝过程, 比较其动、 静态性能等的变化. 为了分析交联网络在填料絮凝过程中的贡献, 对比了工艺相同的含硫与不含硫胶料在不同温度和时间下的絮凝过程. 在含硫体系中, 佩恩效应主要来自于填料网络和橡胶网络的贡献; 而在不含硫体系中, 佩恩效应主要来自于填料网络的贡献. 研究结果表明, 橡胶网络的形成在一定程度上限制了填料的絮凝, 因此, 随温度升高, 含硫体系的佩恩效应减小, 而无硫体系的佩恩效应逐渐增加或先减小后增加. 随时间延长, 含硫胶料和无硫胶料的佩恩效应均增加, 但机制有所不同. 其中含硫胶料主要来自于交联网络的形成, 而无硫胶料主要来自于填料的絮凝. 絮凝动力学研究表明, 快速絮凝发生在较短的时间范围内, 在长时间范围内絮凝开始变慢但并不会停止, 且在较低温度(60 ℃)下絮凝仍会发生. 此外, 高温和长时间热处理导致材料的拉伸性能出现下降, 但动态疲劳性能有所增强.     

稀土化合物处理高耐磨炭黑填充粉末丁腈橡胶

以经稀土化合物处理的高耐磨炭黑和丁腈胶乳为原料,以凝聚共沉法制备粉末丁腈橡胶.研究了分散剂和稀土化合物对粉末胶颗粒粒径及其硫化胶性能的影响.结果表明,粉末胶颗粒粒径随分散剂用量的增加而减小,随La3+用量的增加而增大.La3+改善了硫化胶的性能,特别是扯断伸长率和拉伸强度.进一步分析得出,硫化胶性能得以改善的根本原因是La3+改善了炭黑粒子在橡胶基体中的分散均匀性及其与橡胶基体的黏结牢固性.     

反式丁戊橡胶改性航空轮胎侧胶的结构与性能

采用反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶（简称反式丁戊橡胶,TBIR）改性航空轮胎侧胶[天然橡胶（NR）/顺丁橡胶（BR）（质量比80/20）],研究了NR/BR/TBIR混炼胶的结晶行为、力学性能、硫化特性及硫化胶的物理机械性能、动态力学性能和填料分散性.结果表明,相比NR/BR并用胶,结晶性TBIR的并用赋予NR/BR/TBIR混炼胶较高的格林强度和杨氏模量.NR/BR/TBIR混炼胶工艺正硫化时间延长,交联密度提高.TBIR用量范围内,NR/BR/TBIR硫化胶300%定伸应力提高7%,耐屈挠疲劳性能提高35%~50%,滚动阻力降低.m（NR）/m（BR）/m（TBIR）为80/10/10硫化胶具有更好的综合力学性能及耐热氧老化性能.随着硫化时间的延长,NR/BR/TBIR（80/10/10）硫化胶较NR/BR（80/20）硫化胶100%定伸应力提高18%以上,NR/BR体系的耐屈挠疲劳性降低近60%,而NR/BR/TBIR（80/10/10）体系仍能保持原来的50%;反映滚动阻力的60℃损耗因子降低8%~14%,反映抗湿滑性的0℃损耗因子保持不变.填料分散度得到改善,填料聚集体尺寸降低.NR/BR/TBIR（80/10/10）硫化胶具有更好的耐长时间硫化的特性.     

白炭黑填充胶料的硫变动力学研究

轮胎硫化工艺的设定取决于各组成部件的硫化参数,最终决定轮胎的硫化效率、能耗和成品质量,硫化参数的精确性至关重要。橡胶制品的硫化交联反应符合1级动力学方程,白炭黑填充胶料的硫化反应不单有硫磺-促进剂的交联反应,还存在白炭黑极性团聚的物理作用,直接使用硫变仪检测数据无法精确表征其硫变行为。基于此,本文对白炭黑填充母炼胶(未加硫)的硫变行为进行研究,表明了白炭黑团聚作用在硫变测试时对扭矩提升的干扰。最后,对白炭黑填充终炼胶和对应母炼胶的硫变曲线依据“时间-扭矩”数据进行“相减”处理,重新绘制出能够更精确表征硫化动力行为的曲线,更好地指导含白炭黑胶料的轮胎硫化工艺设定。     

对苯乙烯磺酸钠改性炭黑对天然橡胶胶乳力学性能的影响

在Haake转矩流变仪的热机械作用下,用对苯乙烯磺酸钠(NASS)对炭黑进行预处理,制备了在水介质中具有优异的分散稳定性的亲水性纳米炭黑粒子(PNASS-CB),并将其直接用于天然橡胶胶乳的补强研究.1HNMR和FT-IR结果表明NASS在炭黑表面成功聚合包覆,用热重分析方法计算其包覆率为8.1 wt%,接枝率为2.5 wt%.亲水性炭黑的表面自由能降低,同时,Payne效应和结合胶含量表明亲水性炭黑粒子与橡胶的相互作用强于亲水性炭黑粒子之间的相互作用.因此,亲水性炭黑/天然橡胶胶乳复合材料的硫化时间变短,转化速度加快,硫化胶的撕裂强度提高了85%,拉伸强度提高了30%,断裂伸长率提高了20%.     

橡胶-填料相互作用对丁苯橡胶/白炭黑复合材料性能的影响

本文研究了硅烷偶联剂原位改性白炭黑对溶聚丁苯橡胶(SSBR)性能的影响,结果表明,通过哈克转矩流变仪对含有偶联剂的SSBR/白炭黑混炼胶进行原位热处理后可明显减弱混炼胶的Payne效应,改善白炭黑在橡胶基体中的分散.原位热处理方法能够明显提高硫化胶的300%定伸应力,降低动态压缩温升,同时可使硫化胶在0℃附近具有较高的损耗因子(tanδ),60℃附近具有较低的tanδ.对不同聚合方式得到的丁苯橡胶,即溶聚丁苯橡胶与乳聚丁苯橡胶(ESBR)/白炭黑复合材料的力学性能及动态力学性能进行了研究,结果表明,白炭黑在SSBR2305中分散效果优于在ESBR1502中;采用偶联剂原位改性白炭黑可以使SSBR2305硫化胶获得与ESBR1502硫化胶相当的物理机械性能,更理想的动态力学性能,从而得到力学性能、抗湿滑性、滚动阻力及耐磨性更加均衡的理想轮胎材料.通过对具有不同偶联效率的SSBR/白炭黑体系的微观结构与性能研究发现,随偶联效率的增加,其结合橡胶含量增加,Payne效应减弱;高偶联效率的S-SBR具有较低的动态压缩温升及较好的耐磨性.     

基于天甲橡胶的高性能生物基弹性体制备及性能研究

天甲橡胶(MGNR)是生物基高分子材料天然橡胶(NR)的一种改性产品,较高的门尼黏度导致MGNR作为橡胶制品主要成分的研究鲜见报道.本文将极性的MGNR与非极性的NR并用,NR分子链较高的柔顺性使MGNR的门尼黏度得到有效降低,改善了MGNR的加工性能.进而添加表面具有硅羟基的气相法白炭黑,一方面,白炭黑与MGNR、NR形成结合胶;另一方面,白炭黑表面的硅羟基与MGNR的侧链甲基丙烯酸甲酯形成较强的相互作用,白炭黑作为"桥梁"改善了MGNR与NR之间的相容性.随着白炭黑含量的提高,MGNR/NR(40/60)硫化胶的拉伸强度与断裂伸长率均逐渐增大.当白炭黑的填充量为10 phr时,硫化胶的拉伸强度为31.2 MPa,断裂伸长率为605%.相比于未填充白炭黑的硫化胶分别提高了42.4%和28.9%,相比于纯MGNR分别提高了55.2%和93.9%.     

改性低分子量聚异戊二烯橡胶的合成与应用

采用阴离子溶液聚合法合成了低分子量3,4-聚异戊二烯(LPI), 并对其进行改性, 制备了硅氧烷改性的低分子量3,4-聚异戊二烯(MLPI), 将其应用于白炭黑补强的溶聚丁苯橡胶(SSBR)复合材料, 探究了端基改性物LPI-丙基甲基二甲氧基硅烷(LPI-CMDS)、 LPI-丙基三甲氧基硅烷(LPI-CTMS)、 LPI-丙基三乙氧基硅烷(LPI-CTES)和接枝改性物3-巯丙基三乙氧基硅烷接枝改性LPI(LPI-g-MTS)对SSBR复合材料中白炭黑的分散以及硫化胶性能的影响. 混炼胶的应变扫描和结合胶含量分析结果表明, MLPI增强了填料与聚合物之间的相互作用, 改善了白炭黑在复合材料中的分散, 其中LPI-g-MTS因活性位点多, 效果最佳; 与填充LPI的复合材料相比, 硫化胶的物理机械性能, 尤其是填充LPI-g-MTS后硫化胶的300%定伸应力和拉伸强度分别提升了89.66%和27.15%, 这为改善白炭黑在非极性橡胶中的分散提供了一条新途径.     

木质素增强丁苯橡胶复合材料研究

采用木材水解木质素为原料,均匀溶解在碱性溶液中,与天然橡胶复合形成互穿网络结构,再通过共沉淀法制得一种木质素/天然橡胶复合物。采用该复合物部分代替商用橡胶补强剂——白炭黑,通过三段混炼法对丁苯橡胶进行混炼。结果表明,这种木质素/天然橡胶复合物对丁苯橡胶具有一定的补强作用,其拉伸强度及断裂伸长率均得到一定改善;而热机械性能研究发现,该复合物部分代替白炭黑后,橡胶材料的滚动阻力及耐寒性均得到改善,但抗湿滑性能有一定程度下降。     

TBIR改性BIIR/NR共混物的结构与性能

研究了新型合成橡胶——高反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR)对全钢轮胎气密层并用橡胶——溴化丁基橡胶(BIIR)/天然橡胶(NR)(质量比70/30)的改性作用,探讨了BIIR/NR/TBIR共混物的交联密度、填料分散性及力学性能,特别是并用硫化胶的气密性及屈挠疲劳性能等.结果表明,与无定型的BIIR和NR相比,结晶性TBIR的引入提高了炭黑填充的BIIR/NR/TBIR混炼胶的强度和模量,且随着TBIR用量的增大,混炼胶中TBIR的结晶熔融峰更明显,混炼胶的强度与模量显著提高.硫化特性结果表明,随着TBIR用量的增大,BIIR/NR/TBIR共混物的硫化速率略有提高,交联密度略有降低;TBIR用量为10~30份(生胶总质量的10%~30%)时,BIIR/NR/TBIR硫化胶在机械性能基本保持不变的情况下,耐热氧老化性能提高10%以上,耐一级屈挠疲劳性能提升2~5倍,气密性提高17%.炭黑分散结果表明,经过动态疲劳实验BIIR/NR硫化胶中炭黑聚集体的平均粒径增大至11.5μm,明显大于BIIR/NR/TBIR硫化胶中炭黑聚集体的平均粒径.对含TBIR硫化胶在周期性应力应变过程中的结构演变及对耐疲劳裂纹引发性能的影响机制进行了探讨,结果表明,TBIR可改性BIIR或者BIIR/NR制备高抗裂口引发的全钢轮胎气密层材料.     

TBIR应用于航空胎侧胶的热氧老化性能

研究了反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR)应用于航空轮胎胎侧胶[天然橡胶(NR)/顺丁橡胶(BR)/TBIR]的耐热氧老化性能.结果表明,与NR/BR硫化胶相比,10～20份质量的TBIR取代BR后,NR/BR/TBIR硫化胶的交联密度明显提高,压缩温升降低2. 2～3. 4℃,耐屈挠疲劳性能提高约100%,填料分散性改善,填料团聚体体尺寸减小,拉伸性能基本不变.随热氧老化时间延长,硫化胶的交联密度先增加后降低,并用TBIR的硫化胶交联密度在老化48 h后趋于平缓.与NR/BR相比,老化后的NR/BR/TBIR硫化胶生热最低,耐屈挠疲劳性最高.     

橡胶补强填料的研究进展

随着汽车行业的发展,在"安全、环保和节能"方面,对轮胎的性能提出了更高的要求,因此对轮胎原料—橡胶的补强研究越来越多。本文详细介绍了补强填料补强橡胶的机理、补强填料的分类及改性途径,概述了传统补强填料炭黑、白炭黑及炭黑/白炭黑双向填料的性能和研究现状,综述了新型补强填料硅酸盐类、碳酸盐类及其它常用新型种类和性能,指出新型填料拓展了橡胶补强技术和功能橡胶材料领域的研究思路,应加强橡胶补强填料的开发、补强机理探讨和拓展补强复合材料的表征和检测手段,以满足橡胶行业发展的需求。     

高耐磨低生热NBR/TBIR复合材料的结构与性能

采用高反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR)对丁腈橡胶(NBR)进行改性, 制备了高耐磨、 低生热输送轮用白炭黑填充的NBR/TBIR橡胶纳米复合材料. 研究了NBR/TBIR橡胶纳米复合材料的交联密度、 物理力学性能及填料分散性, 探讨了材料的结构对性能的影响. 研究结果表明, 与纯NBR相比, NBR/TBIR橡胶纳米复合材料的硫化速率和交联密度随TBIR用量的增加而增大; 在保持NBR硫化胶基本力学性能、 耐老化性能和耐溶剂性能基本不变的前提下, TBIR的加入使NBR/TBIR硫化胶的耐磨性提高15%, 动态压缩生热降低5%, 动态压缩永久变形降低22%, 白炭黑分散水平提高; 与丁腈橡胶/顺丁橡胶[NBR/BR(80/20), 质量份数比]硫化胶相比, NBR/TBIR(80/20, 质量份数比)硫化胶具有更低的动态压缩生热和动态压缩永久变形及更好的填料分散性.     

高疲劳寿命氯丁橡胶基减振材料的结构与性能

以氯丁橡胶(CR)为基体材料, 将新型反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶(TBIR)引入传统CR减振基体中, 探讨TBIR在减振材料中的应用前景. 研究发现, 随着TBIR用量的增加, CR/TBIR混炼胶的强度及模量明显提升; CR/TBIR硫化胶的拉伸强度、 撕裂强度、 压缩永久变形、 动静刚度比及耐疲劳性能均得到改善, 特别是一级疲劳寿命提高了50%~400%(未填充体系)及40%~180%(填充体系), 六级疲劳寿命提高了60%~500%(未填充体系)及30%~120%(填充体系). 与未填充CR/TBIR硫化胶相比, 填充CR/TBIR硫化胶由于炭黑补强作用及填料-聚合物相互作用的引入, 屈挠疲劳寿命、 撕裂强度及拉伸性能均显著提高. 与填充CR硫化胶相比, 填充CR/TBIR质量比为90/10的并用胶能够在保持硫化胶的损耗因子基本不变的基础上, 实现综合性能的平衡提升.     

冰点下降法研究交联网络结构对天然橡胶力学性能的影响

通过溶胀硫化胶的溶剂冰点下降法研究了3种不同促进剂体系天然橡胶硫化胶交联网络结构对力学性能的影响.交联密度研究表明,加入TU或STU硫化胶的交联密度与单独使用CZ促进剂硫化胶的基本一致.溶胀硫化胶溶剂冰点DSC研究结果发现,添加了STU硫化胶的溶剂冰点下降幅度最小,而溶剂冰点下降峰的半峰宽(FWHM)值最大,表明了STU的加入有利于在硫化胶中形成了一个网格尺寸较大和更加不均匀交联键分布的结构.同时,XRD结果表明所有硫化胶的应变诱导结晶总结晶指数相同,即可以忽略其对力学性能的影响.力学性能结果表明添加了STU硫化胶的拉伸强度和断裂伸长达到了最大值,这主要是因为在外力作用下,较大网格尺寸和交联键稀疏区域有利于应力松弛,分散了应力集中,使得橡胶分子链和交联键稠密区的结晶束得到有效取向和松弛,提高了STU硫化胶的拉伸强度和断裂伸长.     

利用高压水射流技术制备天然橡胶复合材料

首先利用超声空化作用将炭黑团聚体破碎、切割、分散在水中制得炭黑悬浮液,然后在高速射流场中,炭黑悬浮液被高速射流卷吸到天然胶乳中,在射流边界,由于二者存在极大的速度差,而形成一个湍流混合层,炭黑在湍流拉伸、剪切作用下微观分散到天然胶乳中.结果表明,与传统干法工艺相比,射流工艺可以使炭黑更均匀的分散到天然橡胶基体中.Payne效应结果表明射流工艺减弱了炭黑与炭黑之间的相互作用,增强了炭黑与橡胶之间的相互作用.同时射流工艺制备的复合材料硫化时间变短,硫化程度增加,硫化胶的撕裂强度提高了78%,回弹性提高了20%,DIN磨耗减小了33%.动态力学性能结果表明,射流工艺制备的复合材料在60℃左右具有更低的损耗因子.