倪露萍，許海燕，吳馳飛(華東理工大學材料科學與工程學院，上海 200237)
摘要：研究混煉工藝對丁苯橡膠(SBR)/順丁橡膠(BR)/白炭黑膠料物理性能和結合膠含量的影響。對于一次投膠混煉法，橡膠對白炭黑的潤濕效果好，膠料的拉伸強度和結合膠含量大于分段投膠混煉法膠料。對于分段投膠混煉法，用貧相橡膠控制結合膠時，膠料的拉伸強度和結合膠含量較大;結合膠含量受生膠種類和并用比以及混煉工藝的共同影響;2種生膠的用量越接近，越容易形成結合膠，形成結合膠的白炭黑表面越大;混煉工藝引起的混煉場差異影響結合膠的生成。
關鍵詞：混煉工藝;順丁橡膠;丁苯橡膠;白炭黑;結合膠;物理性能
近年來，為降低輪胎的滾動阻力，白炭黑在輪胎膠料中的應用研究深受重視。本工作探討混煉工藝對丁苯橡膠(SBR)/順丁橡膠(BR)/白炭黑膠料物理性能和結合膠含量的影響。
1 實驗
1.1 原材料
丁苯橡膠(SBR)，牌號Nipol SBR1502，結合苯乙烯含量23.5%，日本瑞翁公司產品;順丁橡膠(BR)，牌號Ubepol BR130B，順式-1，4結構含量96%，日本宇部興產公司產品;白炭黑UltrasilVN3GR和偶聯劑Si266，德國德固賽公司產品;操作油NH-60，日本出光興產公司產品;促進劑CZ、促進劑D、硫黃、氧化鋅、硬脂酸和防老劑4020，江陰海達橡塑制品有限公司提供;甲苯，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司產品。
1.2 主要儀器與設備
哈克轉矩流變儀，德國賽默飛世爾科技有限公司產品;WSM-20KN型拉力機，長春智能試驗機研究所產品。
1.3 膠料配方
膠料配方見表1。
1.4 混煉工藝
膠料混煉在哈克轉矩流變儀中進行，密煉室填充因數為0.7，轉子轉速為60r·min-1，混煉溫度設定為125℃。采用2種方法進行混煉。
(1)一次投膠混煉法。該法的一段混煉膠由全部生膠、白炭黑、偶聯劑和白炭黑、1/2小料混煉制成;二段混煉膠由一段混煉膠與剩余1/2小料混煉制成。本研究中一次投膠混煉法簡稱為一步法。
(2)分段投膠混煉法。該法可以達到控制結合膠的目的，所以又稱結合膠控制方法。一段混煉膠由一種生膠、白炭黑和偶聯劑、1/2小料混煉制成;二段混煉與一段混煉的密煉室填充量相同，二段混煉膠由一段混煉膠、另一種生膠、剩余1/2小料混煉制成。其中一段混煉投入的生膠稱為結合膠控制用膠，若其含量超過生膠總量的1/2，則稱為富相控制，反之稱為貧相控制。本研究中SBR與白炭黑先混煉的分段投膠混煉法簡稱為SBR先混法;BR與白炭黑先混煉的分段投膠混煉法簡稱為BR先混法。
1.5 性能測試
(1)膠料物理性能測試按相應國家標準進行。
(2)結合膠含量測試。混煉膠在室溫下停放1個星期，進行抽濾試驗：準確稱取1g混煉膠，用濾紙包好，浸泡于200mL甲苯溶劑中，在30℃下恒溫浸泡45h后取出，通風干燥24h至恒質量。結合膠含量由下式計算。
φB=(m2-m1×φ2)/(m1×φ1)。
式中，φB為結合膠含量;m1和m2分別為混煉膠抽濾前后的質量，φ1和φ2分別為混煉膠中橡膠和炭黑含量。
2 結果與討論
2.1 物理性能
不同混煉工藝制備的SBR/BR/白炭黑膠料物理性能如表2所示。
從表2可以看出混煉工藝對膠料拉伸強度的影響。對于SBR/BR并用比相同而混煉工藝不同的膠料，結合膠不同，拉伸強度不同。在橡膠的混煉過程中，白炭黑(填料)在橡膠基體中的分散主要為白炭黑的潤濕和團聚體破裂。一步法膠料的白炭黑潤濕效果好，其拉伸強度總體大于分段投膠混煉法膠料。
進一步分析得出，當貧相橡膠控制結合膠時，膠料的拉伸強度高于富相橡膠控制結合膠的膠料，這說明一段混煉中白炭黑與橡膠的用量比顯著影響膠料的物理性能。對于分段投膠混煉法，一段混煉中加入的橡膠量比一步法小，橡膠對白炭黑的潤濕變差，此時白炭黑與橡膠的結合也隨之變差。當貧相橡膠控制結合膠時，一段混煉中橡膠投入量小，即降低了白炭黑的不良分散程度，從而有利于提高膠料的拉伸強度。結合膠成分對膠料拉伸強度影響不是很大，但與控制結合膠的橡膠用量引起的密煉室混煉條件變化相關。
從表2還可以看出，BR先混法膠料的抗撕裂性能比SBR先混法膠料好。這說明結合膠成分對膠料抗撕裂性能影響較明顯，分子鏈運動性較好的BR可以得到更好的相界面結合效果。
2.2 結合膠含量
不同混煉工藝制備的SBR/BR/白炭黑膠料結合膠含量見表3。結合膠是實現補強性能的基本要素[1]。
從表3可以看出，一步法膠料的結合膠含量較大，拉伸強度較大;分段投膠混煉法膠料貧相橡膠控制的結合膠含量總體較大。這是因為結合膠一旦形成就很難剝離，而結合膠表面也不易再包覆異種橡膠[2]，因此貧相橡膠控制結合膠時，由于一段混煉中橡膠投入量小，即降低了白炭黑的不良分散程度，有利于二段混煉時結合膠形成，增大了膠料整體的結合膠含量。
當SBR/BR并用比為50/50時，膠料結合膠含量較大，說明生膠并用比會影響膠料的混煉效果，在2種生膠用量均衡的條件下更容易生成結合膠;BR先混的膠料結合膠含量大于SBR先混的膠料，說明BR與白炭黑的結合效果更好，這與BR優良的潤濕性能有關。SBR/BR/白黑膠料結合膠含量與拉伸強度的關系如圖1所示。
從圖1可以看出，結合膠含量變化趨勢與拉伸強度變化趨勢基本相同，說明結合膠含量與拉伸性能之間是存在一定關系;但控制結合膠的膠料與未控制結合膠的膠料拉伸強度與結合膠含量之間的關系并不完全一致。比較3種混煉工藝膠料發現，不同混煉工藝制備的膠料表現出不同的性能變化規律。這說明結合膠含量以及基體橡膠對膠料的拉伸性能并不是僅有的決定因素。
不同混煉工藝引起的橡膠基體形態上的變化也可能影響膠料的拉伸性能，膠料的各種界面結合情況對其物理性能的影響是重大的。作為白炭黑-橡膠界面的結合膠，其外層分子鏈的柔順性以及與之相接觸并結合的基體橡膠分子鏈的柔順性是決定其效能的關鍵因素。尤其結合膠的分子鏈，當其具有一定的柔順性時可與基體橡膠分子鏈形成強有力的纏結和相互滲透，從而形成牢固且厚的界面，與基體良好相容且穩定。本研究中白炭黑-橡膠界面在兩相橡膠界面的形成中起到很重要的作用。白炭黑就像兩相橡膠的相容劑一樣，通過結合膠形成較強、較穩定的兩相結合[3]，而在某種程度白炭黑作為物理交聯點起穩定工藝和補強的作用[4]。因此對于這個體系來說，基體橡膠、結合膠以及共混體系形態共同影響膠料的拉伸性能。
3 結論
(1)對于SBR/BR/白黑膠料，一步法膠料的拉伸強度和結合膠含量比分段投膠混煉法膠料大，這在于一步法膠料的白炭黑潤濕效果好。
(2)在分段投膠混煉中，當貧相橡膠控制結合膠時，膠料的拉伸強度較高，這在于一段混煉時生膠的投入量較小，白炭黑在基體中的整體分散和結合效果較好;作為補強基本要素的結合膠含量越大，越有利于提高膠料的強度。
(3)結合膠含量受生膠種類和并用比以及混煉工藝的共同影響。2種生膠的用量越接近，越容易形成結合膠;分子鏈柔順性越好，對白炭黑的潤濕效果越好，形成結合膠的白炭黑表面越大;混煉工藝引起的混煉場差異影響結合膠的生成。
(4)基體橡膠、結合膠以及共混體系形態共同影響膠料的拉伸性能。
參考文獻：略
