不同白炭黑份数对SBR橡胶疲劳性能的影响

山东京博橡胶

6 P1 ]7 L$ Q, a2 P/ w

不同白炭黑份数对SBR橡胶疲劳性能的影响

橡胶的疲劳性能与橡胶的填料体系有着莫大的关系，为探究其中的关系，以SBR为基体橡胶，在相同基础配方下改变白炭黑的用量研究填料对橡胶疲劳性能的影响。
1、硫化特征曲线

图1：不同白炭黑份数的SBR复合材料的硫化特征曲线
由图1不难看出，随白炭黑的增加，胶料的焦烧时间并没有延长，但正硫化时间有所增大，硫化速率减小，这可能是由于白炭黑的加入会对交联过程造成物理上的阻碍。随白炭黑量的增大，胶料的最小、最大转矩都会逐渐提高，这源于白炭黑形成的填料网络。
2、填料网络结构
6 w+ e( P4 b; ~, b9 V/ ?
+ n1 E! x( g' L" X图2：不同白炭黑份数的SBR复合材料的储能模量变化
; E9 e) c0 Q  a* w2 |) g如图2是胶料通过橡胶加工分析仪（RPA）在60℃下测试得到的混炼胶储能模量与应变的变化关系。从图中可以看出在低应变下，随白炭黑含量的增加，胶料的储能模量逐渐增大。白炭黑经硅烷偶联剂处理后，其氢键会使填料与基胶结合力增大，网络趋于完善。但随应变的增大，各胶料的储能模量会随填料网络的破坏而急剧下降，直至趋于一点。
3、力学性能
表1：不同白炭黑份数的SBR复合材料力学性能
8 C( _) F# a* D% o! @8 g! p% X
% x, ?% L8 X. M1 G2 h项目        0SiO2        30SiO2        50SiO2
# E% `/ W* C4 T6 A/ C! U拉伸强度/MPa        4.5        18.9        24.2
100%定伸/MPa        1.2        1.8        2.6
300%定伸/MPa        4.3        6.0        9.8
拉断伸长率/%        540        569        560
拉伸永久变形/%        4        14.4        20
* }1 N5 Y; N9 E; k8 L撕裂强度/kN·m-1        17.6        44.2        58.8
邵A硬度        51        66        76
5 w) H7 H$ o0 w表1是不同白炭黑份数的SBR复合材料的力学性能数据。从表中能够看出，加入白炭黑后，丁苯橡胶的力学性能相比未加入胶料有了极大的提升。加入50份白炭黑后，拉伸强度达到24.2MPa，较未加入提升了440%；撕裂强度达到58.8 kN·m-1，较未加入提升237%。此外，定伸应力，硬度极大的提升。
; D: O  ]! \" |$ `/ r' A: u! F4、扫描电镜
2 l" a% S: {7 ]* ?3 H! x
: v' a" ^  ^6 t3 x- e% n（a）未加白炭黑 （b）加30份白炭黑
图3：不同白炭黑份数的SBR复合材料SEM照片
2 H# y4 [' ^7 g' f如图3所示，丁苯橡胶在未填加白炭黑和填加30份白炭黑的试样淬断断面电镜图。从图中（a）可以看出，丁苯橡胶在未填充白炭黑时，硫化胶内部存在众多的微小孔隙。在进行性能测试时，会在这些的缺陷部位产生应力集中，极易造成试样的破坏；再加入30份白炭黑后，橡胶内部结构得到改善，微孔隙大大减少，性能得到提升。
5、疲劳性能
（1）S-N曲线
* D- K1 n) a' U8 R表2： 不同白炭黑份数的SBR复合材料S-N数据
形变量（%）        0SiO2        30SiO2        50 SiO2
225        29273        35576        68572
) b1 ?! p$ x8 e, i' e250        23017        26059        33193
! M+ S( B( ?4 {' N- |* i6 ^8 k9 C275        14003        14634        18595
300        10663        12867        13607
6 I- v. d- J+ L4 _325        4868        6664        10134
/ c& u% g5 g" a
图4：不同白炭黑份数的SBR复合材料S-N曲线
) W9 G' @6 M! `% M  C表2和图4是对不同白炭黑份数的SBR复合材料的进行疲劳寿命测试结果。从图中可以看出，随白炭黑使用量的增加，橡胶的疲劳寿命同样会有所增大，在较小的形变量下疲劳寿命增加较为明显。白炭黑能增加橡胶疲劳寿命可以从以下分析：白炭黑表面官能团在硅烷偶联剂作用下能和胶料之间有很好的亲和性，硫化后完善了交联网络，降低了原始缺陷出现的可能。
6 u. N0 n; A  L, p! L" ~（2）交联密度
$ ~/ K$ Q" o9 l' H' z$ J. ~. A  i表3：不同白炭黑份数丁苯橡胶疲劳（100%应变）前后的交联密度变化数据
交联密度/(10-5mol/cm3)        0SiO2        30SiO2        50 SiO2
/ P: v$ \, ]9 ^2 `2 i0 d# |) v8 G( ?未疲劳        2.88        3.28        3.78
疲劳5千次        2.85        2.91        3.50
, t* V8 Z; y9 _9 Z% M# J疲劳2万次        2.66        2.81        3.50
8 s" H& d9 _$ ^0 @2 o4 [3 c疲劳5万次        2.64        2.70        2.74
将含有0、30和50份白炭黑的丁苯胶试样，在100%应变下分别进行5千、2万和5万次单轴拉伸疲劳后进行交联密度测试，结果如表3所示。由表可以看出，各配方胶料的交联密度在疲劳后均下降的趋势。但总体来说，胶料的交联密度会随着白炭黑加入量的增加而逐渐增大。并且在疲劳过程中，交联密度的下降程度会随白炭黑加入量的增加而加剧。这主要是由于白炭黑在疲劳过程中并不会发生应力取向，在承担疲劳过程中的大部分应力后，白炭黑与橡胶之间的界面结合力会迅速下降，使交联网络受到破坏，导致交联密度的迅速降低。
6、总结
# E9 g1 n( r! m7 t2 v本文对不同白炭黑份数的SBR复合材料进行了研究。通过硫化特征曲线发现白炭黑未延长混炼胶的焦烧时间，但延长胶料的正硫化时间，此外加入白炭黑后，胶料转矩会因为填料网络的构建而明显增加。RPA显示混炼胶的储能模量和硫化胶的损耗因子都会随白炭黑份数的增加而迅速升高。材料的力学性能也会随白炭黑的加入而大大增强。但会随加入量的增加，提升量减缓。
在疲劳性能方面，从S-N曲线可以看出，白炭黑的加入同样能延长丁苯胶的疲劳寿命，但在加入30份的情况下，提升并不明显；加入50份时，在低形变量下，试样疲劳寿命有所提升，高形变量下，效果同样不明显。通过测试试样疲劳前后的交联密度，发现白炭黑能在低疲劳次数下阻碍硫化胶交联网络被破坏，在疲劳次数增加到5万次后，硫化胶交联网络被破坏严重，不能起到像片层填料一样的保护效果。
7 k) W9 O, r1 Q$ `8 H, j
+ x- b; R5 h! [  s5 Q, j

心雨

不错不错。挺好。

liz910140969

谢谢分享，必须赞！

非风亦非雨

学习了  

非风亦非雨

谢谢分享

张敏

认真学习(●''●)

欧洲之星

谢谢分享

周迪

不错的研究，值得学习一下，你最高加入50份白炭黑，不知道分散方面怎么样，硅烷偶联剂是加白炭黑用量的10%吗?

山东京博橡胶

周迪 发表于 2018-7-25 13:35
: H# J% O0 P6 S% q9 s; I不错的研究，值得学习一下，你最高加入50份白炭黑，不知道分散方面怎么样，硅烷偶联剂是加白炭黑用量的10% ...

是的，硅烷偶联剂以10%添加，可以良好的分散

周迪

山东京博橡胶 发表于 2018-8-1 17:34
: i9 \7 m: D. W5 Y9 [是的，硅烷偶联剂以10%添加，可以良好的分散

你用的是高比表面积的白炭黑还是普通的白炭黑。