白炭黑-天然橡膠之間相互作用及其對(duì)力學(xué)性能影響的研究.pdf

1、白炭黑能賦予硫化膠很高的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，良好的耐屈撓性和剛性，成為最主要的白色、透明補(bǔ)強(qiáng)填充劑。硅烷改性白炭黑的研究越來越活躍，目前，有關(guān)這方面的研究多集中于硅烷雙-(三乙氧基硅烷基)-丙基)四硫化物(TESPT)改性白炭黑增強(qiáng)橡膠。本論文選用天然橡膠(NR)作為基體，采用新型硅烷3-辛?；?1-丙基三乙氧基硅烷(NXT)改性白炭黑增強(qiáng)NR，系統(tǒng)研究了硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)NR混煉膠的加工性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、硫化過程及硫化膠的力

2、學(xué)性能、化學(xué)反應(yīng)和形態(tài)結(jié)構(gòu)，并探討了硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)橡膠的機(jī)理。 首先研究了硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)NR的硫化特征，并與硅烷TESPT改性白炭黑的進(jìn)行了對(duì)比。研究表明膠料的焦燒時(shí)間隨著硅烷NXT和TESPT濃度的增大以及硫化溫度的升高而降低。含硅烷NXT的膠料的焦燒時(shí)間比含硅烷的TESPT要長(zhǎng)。硅烷偶聯(lián)劑NXT的抗焦燒性能要優(yōu)于TESPT。與HAF增強(qiáng)NR膠料相比，白炭黑增強(qiáng)的膠料的焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間長(zhǎng)，但在白炭黑經(jīng)硅

3、烷NXT改性后，膠料的焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間縮短。在各個(gè)硫化溫度下，含硅烷NXT膠料的硫化速度指數(shù)和速度常數(shù)隨著NXT的濃度的增大而增大；對(duì)于硅烷TESPT而言，隨著硅烷TESPT濃度的增大則有個(gè)最大值。含硅烷NXT和硅烷TESPT膠料的硫化速度指數(shù)和速度常數(shù)隨著溫度的升高而增大。用硅烷改性白炭黑增強(qiáng)NR的膠料的表觀硫化活化能隨著硅烷NXT和TESPT濃度的增大而降低。含硅烷NXT的膠料的表觀硫化活化能比含硅烷的TESPT的小。

4、硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)NR結(jié)構(gòu)與性能的研究。研究表明在白炭黑增強(qiáng)的NR膠料中加入硅烷NXT后，降低了混煉膠的粘度，改善了白炭黑在橡膠基體中的分散性，降低了填料-填料之間的相互作用，增大橡膠-填料之間的相互作用，使得結(jié)合橡膠含量增大。隨著硅烷NXT用量的增大，白炭黑增強(qiáng)的NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度增大后保持平衡；模量單調(diào)增大；交聯(lián)密度增大；0℃時(shí)tanδ增大，60℃時(shí)tanδ減少，從而增大了硫化膠的濕抓著性能，降低了滾動(dòng)阻力。白炭黑

5、增強(qiáng)的NR硫化膠，填料用量為30phr時(shí)硫化膠的拉伸強(qiáng)度最大，但撕裂強(qiáng)度卻是在填料用量為40～50phr時(shí)最大。白炭黑增強(qiáng)的NR硫化膠的撕裂強(qiáng)度要比HAF增強(qiáng)的NR要大，而白炭黑增強(qiáng)的NR硫化膠的滾動(dòng)阻力低。 研究了硅烷NXT改性三種不同牌號(hào)的白炭黑增強(qiáng)NR的規(guī)律，并與炭黑增強(qiáng)NR進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，白炭黑的比表面積和表面的硅醇基團(tuán)的數(shù)目不同對(duì)其增強(qiáng)NR的硫化過程產(chǎn)生了影響。比表面積大的和硅醇基團(tuán)的數(shù)目大的，延遲了膠料的硫化，

6、加入硅烷NXT后，則消除了膠料的延遲硫化。比表面積大的白炭黑的增強(qiáng)效果好，高分散的白炭黑的增強(qiáng)效果比普通白炭黑要好。 應(yīng)用FTIR、NMR和DSC等分析手段，對(duì)硅烷NXT改性白炭黑以及在硫化過程中的反應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)的證明和表征。從硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)NR混煉膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能來看，隨著硅烷用量的增大，Payne效應(yīng)變?nèi)?；同時(shí)，用FTIR和NMR表征了硅烷NXT改性白炭黑的反應(yīng)，證實(shí)了硅烷NXT上的乙氧基和白炭黑的硅醇基團(tuán)發(fā)生縮合

7、反應(yīng)。運(yùn)用DSC和硫化儀分析了硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)NR的反應(yīng)，即在硫化條件下，硅烷NXT參與硫化反應(yīng)。提出了硅烷NXT在改性白炭黑增強(qiáng)橡膠中的反應(yīng)模型。 通過Kraus曲線表征了NR與不同填料(白炭黑、白炭黑/NXT和HAF)之間的相互作用。填料-基體相互作用的特征常數(shù)n可作為衡量?jī)烧唛g作用力大小的依據(jù)，n越大，相互作用力就越大。Kraus曲線表明，填料和橡膠之間相互作用的大小順序：NR/HAF＞NR/Silica/NXT＞

8、NR/Silica。硅烷NXT改性白炭黑與NR之間的相互作用力更大，體現(xiàn)在力學(xué)性能上表現(xiàn)為硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)的硫化膠的定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度更高。 研究了硅烷NXT改性白炭黑補(bǔ)強(qiáng)膠的應(yīng)力軟化效應(yīng)、應(yīng)力松弛等特性，并與炭黑補(bǔ)強(qiáng)膠進(jìn)行了對(duì)比。與HAF增強(qiáng)的NR硫化膠相比，白炭黑增強(qiáng)的NR硫化膠應(yīng)力軟化效應(yīng)不明顯、但應(yīng)力松弛程度更大。但在白炭黑經(jīng)硅烷NXT改性后，硫化膠的軟化效應(yīng)更明顯、應(yīng)力松弛程度變小。利用唯象理論模擬了

9、硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)的NR的應(yīng)力-應(yīng)變行為，發(fā)現(xiàn)Gergory提出的儲(chǔ)能函數(shù)表達(dá)式能夠很好地用來描述白炭黑和白炭黑/NXT增強(qiáng)的NR的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，所得理論應(yīng)力-應(yīng)變曲線在所有應(yīng)變范圍內(nèi)都與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合。 利用丁腈橡膠的極性基團(tuán)-腈基來改性白炭黑，使白炭黑表面吸附較多的丁腈橡膠，減少白炭黑的吸附性能。研究表明丁腈橡膠的加入改善了白炭黑在天然橡膠中的分散性。丁腈橡膠用量為4份時(shí)硫化膠的力學(xué)性能最佳，隨著用量的增大性能略微

10、下降。丁腈橡膠的加入，0℃和60℃的tanδ都增大，這說明改善了硫化膠的抗?jié)窕阅?，但是，?duì)滾動(dòng)阻力卻產(chǎn)生不利的影響。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處： (1)較為系統(tǒng)地研究了硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)天然橡膠的焦燒特性，指出硅烷NXT的單硫鍵是該體系具有較長(zhǎng)的焦燒時(shí)間的原因； (2)較為系統(tǒng)地研究了硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)橡膠的增強(qiáng)規(guī)律，提出了硅烷NXT改性白炭黑增強(qiáng)橡膠的機(jī)理，即硅烷NXT的乙氧基和白炭黑表面的硅醇基團(tuán)發(fā)