唐梓銘,李志成,肖建斌
(青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266042)
輪胎的抗?jié)窕砸恢笔切袠I(yè)的一個難點[1]。目前行業(yè)內(nèi)運用最多的就是將丁苯橡膠(SBR)作為基材,添加適量的白炭黑來提高輪胎的抗?jié)窕訹2],但是不足以應(yīng)對某些極端天氣。
從結(jié)構(gòu)上看,丁基橡膠(IIR)主鏈上每隔一個碳原子就有兩個側(cè)甲基,側(cè)甲基豐富從而具有良好的的止滑性能[3],將IIR與SBR/順丁橡膠(BR)共混,可以顯著提高膠料的止滑性能,但是IIR與一般二烯類橡膠的相容性非常差,并且IIR與SBR/BR硫化速度相差較大,硫化速度不匹配,簡單共混后材料性能下降非常明顯。要想利用IIR增加SBR/BR的抗?jié)窕裕鸵鉀Q三者的相容性差及硫化速度不匹配的問題[4]。
本實驗首先制備出苯乙烯丁二烯熱塑性彈性體(SBS)/IIR動態(tài)硫化彈性體(SITPV),然后將SITPV與SBR/BR進行共混,將所制備的材料與SBR/BR/IIR直接共混制備的材料對比進行各項性能的探究。
SBR:1502,中國石油天然氣有限公司;SBS:YH-165,山東泰瑞豐科技有限公司;IIR:1953,山東京博石油化工有限公司;BR:BR-9000,中國石化集團北京燕山石油化工有限公司;其他助劑為均市售產(chǎn)品。
開放式煉膠機:X(S) K-160型,上海雙翼橡塑機械有限公司;Haake轉(zhuǎn)矩流變儀:Poly-Lab OS型,德國Haake公司;平板硫化機:XLB型,青島第三橡膠機械廠;電子拉力機:AI-7000S型,臺灣高鐵科技股份有限公司;橡膠硬度計:LX-A型,上海六中量儀廠;DMA 測試儀:RSA-G2型,美國TA公司;掃描電子顯微鏡:JSM-6700F型,日本JEOL公司。
輪胎胎面膠基本配方(質(zhì)量份)為:SBR 70,BR 30,白炭黑 50,硅烷偶聯(lián)劑Si-69 5,氧化鋅 5,硬脂酸SA 3,防老劑RD 1,促進劑NS 1,促進劑DPG 1.5,硫磺 2。首先將SBR和BR投入轉(zhuǎn)矩流變儀,控制轉(zhuǎn)矩流變儀溫度60 ℃,轉(zhuǎn)速50 r/min。1 min后依次加入小料與填料,待轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)后排膠開煉機下片,控制排膠溫度不超過100 ℃。
IIR基本配方(質(zhì)量份)為:IIR 100,氧化鋅 5,SA 3,白炭黑 50,Si-69 5,促進劑M 1,促進劑BZ 0.5,硫磺 1,制備方法同上。
(1)SBS/IIR動態(tài)硫化彈性體(SITPV)
控制轉(zhuǎn)矩流變儀溫度為150 ℃,轉(zhuǎn)速為70 r/min,首先將100份SBS投入到轉(zhuǎn)矩流變儀當(dāng)中,密煉1 min后,加入150份丁基混煉膠。觀察轉(zhuǎn)矩圖線的變化,等到轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)后進行排料,高溫開煉機下片。
(2)SBR/BR/IIR共混膠料
將不同比例的SBR/BR混煉膠、IIR依次投入轉(zhuǎn)矩流變儀中,溫度為60 ℃,轉(zhuǎn)速為70 r/min,待轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)后排膠下片,控制排膠溫度不超過100 ℃。
(3)SBR/BR/SITPV共混膠料
將不同比例的SBR/BR混煉膠、SITPV依次投入轉(zhuǎn)矩流變儀中,溫度為60 ℃,轉(zhuǎn)速為70 r/min,待轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)后排膠下片,控制排膠溫度不超過100 ℃。
(1)拉伸性能:按照GB/T 528—2009在電子拉力機上進行測試。
(2)撕裂性能:按照GB/T 529—2008在電子拉力機上進行測試。
(3)邵爾A硬度:按照GB/T 531.1—2008進行測試。
(4)掃描電子顯微鏡(SEM):采用液氮將拉伸試樣脆斷,然后在斷面涂導(dǎo)電液、噴金處理后進行SEM測試。
(5)動態(tài)力學(xué)性能:將試樣裁成啞鈴狀拉伸樣條,選擇拉伸模式,測試溫度為-80~80 ℃。
(1) 硫化性能
IIR與其他橡膠的相容性很差,并且對常用的配合劑溶解度低,導(dǎo)致硫磺在共混膠料中分散不均,膠料的硫化程度相差較大[5]。表1為IIR添加量對共混膠料硫化性能的影響。
由表1可知,隨著IIR添加量的增加,共混膠料的焦燒時間(tc10)和工藝正硫化時間(tc90)逐漸減小,這是由于丁基混煉膠中的超速促進劑BZ在共混過程中遷移到SBR/BR體系中加快了整個體系硫化速度[6];同時隨著IIR添加量的遞增,材料的最高轉(zhuǎn)矩與最低轉(zhuǎn)矩差值(MH-ML)先增加后降低,而MH-ML可以反映出材料的交聯(lián)程度,由此可以得出材料的交聯(lián)度先增加后降低。
表1 SBR/BR/IIR共混膠料的硫化性能
(2) 力學(xué)性能
因為IIR與SBR/BR之間的相容性很差,直接共混造成材料存在缺陷,進而影響材料的力學(xué)性能[7]。表2為IIR添加量不同對SBR/BR/IIR共混膠料力學(xué)性能的影響。
表2 SBR/BR/IIR共混膠料的力學(xué)性能
如表2所示,共混膠料的的拉伸強度、撕裂強度和拉斷伸長率隨著IIR添加量的增加有著較大的下降,這是因為IIR與一般二烯類橡膠的相容性很差,直接共混使材料存在較大的缺陷,對材料的強度影響很大;隨著IIR添加量的增加,共混膠料的硬度變化不大,回彈性明顯降低,這是以下兩個方面原因共同作用的結(jié)果:IIR每隔一個碳原子就有兩個側(cè)甲基,可以損耗掉絕大部分沖擊能[8];其次由于兩種膠料相容性較差,共混造成的大量缺陷導(dǎo)致材料受到?jīng)_擊時儲能鏈段減少,進而使得材料的回彈性下降[9]。
SBS與SBR結(jié)構(gòu)相似,相容性較好[10]。將IIR與SBS動態(tài)硫化制備SITPV,再將SITPV與SBR/BR共混制備材料,理論上可以提高IIR與SBR/BR之間的相容性。
(1)硫化性能
直接在SBR/BR體系中加入IIR會對膠料的硫化性能造成較大影響,而將IIR與SBS共混制備SITPV加入到SBR/BR體系中,由于SITPV中的IIR已動態(tài)硫化,對體系硫化性能的影響降低。表3為SITPV添加量對其共混膠料硫化性能的影響。
表3 SBR/BR/SITPV共混膠料的硫化性能
如表3所示,隨著SITPV添加量的增加,共混膠料的tc10和tc90逐漸減少,這是因為SITPV動態(tài)硫化后殘余的超超速促進劑BZ在共混時遷移到SBR/BR體系,促進體系的硫化;同時,隨著SITPV添加量的增加,共混膠料的MH-ML值也逐漸減少,反映出共混膠料的交聯(lián)程度降低,這是以下兩個方面原因共同作用導(dǎo)致:當(dāng)SITPV與SBR/BR共混時,SITPV中預(yù)交聯(lián)的IIR的加入會是體系中硫化劑的濃度降低進而導(dǎo)致硫化程度降低;SITPV在高溫時呈現(xiàn)塑性,也降低材料的MH,從而降低了材料的MH-ML值[11]。
(2)力學(xué)性能
與SBR/BR/IIR直接共混相比,SITPV的加入會改善共混材料的相容性,改變共混膠料的微觀結(jié)構(gòu),從而影響共混膠料的力學(xué)性能。表4為SITPV添加量對共混膠料力學(xué)性能的影響。
表4 SBR/BR/SITPV共混膠料的力學(xué)性能
如表4所示,隨著SITPV添加量的增加,共混材料硬度逐漸增加,原因是在室溫下SITPV中的SBS硬度比橡膠高,從而影響到共混膠料整體的硬度值;同時隨著SITPV添加量的增加,共混膠料的強度和拉斷伸長率降低,這是因為SITPV中的IIR組分與SBR/BR相容性差,隨著SITPV添加量的增加,共混膠料的缺陷變多,使得材料的強度下降。
當(dāng)SBR/BR/IIR直接共混時,三者相容性差導(dǎo)致共混膠料的性能急劇下降,而將IIR與SBS動態(tài)硫化制備出SITPV,再將SITPV與SBR/BR共混,可以改善三者的相容性,進而改善共混膠料的各方面性能,本節(jié)對比不同制備方法制備出的共混膠料,分析其制備方法對共混膠料各方面性能的影響。
(1)力學(xué)性能
不同制備工藝制備的共混材料的力學(xué)性能見圖1。
如圖1所示,與SBR/BR/IIR共混膠料相比,SBR/BR/SITPV共混膠料的硬度、拉伸強度、撕裂強度、拉斷伸長率都有所提高,綜合性能優(yōu)于SBR/BR/IIR共混膠料。由此可以得出,SITPV可以改善IIR與SBR/BR的相容性,使共混膠料的性能有所提高。
(2)微觀結(jié)構(gòu)
圖2為不同制備工藝制備的共混膠料的電鏡圖。
(a) SBR/BR/IIR
從圖2可以看出,SBR/BR/IIR的相容性很差,存在著明顯的分層,而后者的相容性好,幾乎不存在分層現(xiàn)象,這也說明第二種制備工藝改善了共混膠料的相容性。
(3)動態(tài)力學(xué)性能
材料在0~10 ℃時損耗因子(tanδ)可以很好地反映出材料的抗?jié)窕院涂垢苫?。SITPV的添加對共混膠料動態(tài)力學(xué)性能的影響見圖3。
t/℃圖3 SITPV的添加對共混膠料動態(tài)力學(xué)性能的影響
如圖3所示,SITPV的加入會使SBR/BR體系在10 ℃時的tanδ提高,從而反映出材料干抓能力提高;同時在0 ℃時,SITPV的加入也會使SBR/BR體系的tanδ增加,進而反映出材料抗?jié)窕芰μ岣摺?/p>
(1)將IIR與SBR/BR直接共混,會對體系的硫化特性造成較大影響,并顯著降低材料的力學(xué)性能;而將IIR與SBS動態(tài)硫化制備SITPV再與SBR/BR共混,提高了三者的相容性,降低對共混膠料的硫化特性和力學(xué)性能的影響,其各項性能均優(yōu)于SBR/BR/IIR直接共混的膠料。
(2)將IIR與SBS動態(tài)硫化制備的SITPV與SBR/BR共混,會顯著提高共混膠料在0 ℃和10 ℃的tanδ、抗?jié)窕耘c抗干滑性。