炭黑N134在不同橡胶基体中的分散及其混炼工艺调控

doi:10.7503/cjcu20230093

摘要/Abstract

摘要：

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.

关键词: 仿生橡胶, 炭黑N134, 混炼工艺, 门尼黏度

Abstract:

The influence of mixing process on the properties of carbon black（CB， N134） reinforced isoprene rubber， styrene butadiene rubber and bionic rubber after cure was studied. Considering that the dispersion of CB in bionic rubber is poor compared to that in the other two systems， a new processing routine was designed to improve the dispersity of CB in bionic rubber， and the results show a good dispersity of CB and an enhanced performance of bionic rubber. Our study indicates that， with increasing internal mixing time， the dispersity of CB in isoprene rubber and styrene butadiene rubber is improved from about 1 grade to higher than 6 grade， while that in bionic rubber still remains a low grade（around 1 grade）. Further increasing the internal mixing time does not greatly improve the dispersity of CB in bionic rubber system. To solve this， mastication and mill banding were introduced and the dispersion of CB was greatly improved in bionic systems. As expected， with increasing the dispersity of CB in rubber systems， the tensile fatigue life was enhanced， as verified by all the three studied rubber systems. For bionic rubber， a certain time of mastication will decrease the Mooney viscosity and the molecular weight of gum， leading to an enhanced processability. Moreover， Payne effect in vulcanized bionic rubber was also increased with increasing the mastication time. This is probably due to the fact that the improvement of dispersion of CB in rubber matrix increases the specific area of CB agglomerates， which brings more bound rubber to enhance the interfacial adhesion between fillers and rubber matrix.

Key words: Bionic rubber, Carbon black N134, Mixing process, Mooney viscosity

中图分类号:

O632

TrendMD:

贺天成, 王玉阁, 陈思源, 尹园, 孙洪国, 郑雅芳, 孙昭艳. 炭黑N134在不同橡胶基体中的分散及其混炼工艺调控. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230093.

HE Tiancheng, WANG Yuge, CHEN Siyuan, YIN Yuan, SUN Hongguo, ZHENG Yafang, SUN Zhaoyan. Dispersion of Carbon Black N134 in Different Rubber Systems and Its Mixing Process Regulation. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230093.

图/表 6

Fig.1 Dispersion grade(A), dispersion(B) and white area(C) of carbon black N134 in styrene butadiene rubber(a), isoprene rubber(b) and bionic rubber(c) as a function of internal mixing time

Fig.2 Tension performance and tensile fatigue property of different vulcanized rubbersa. Styrene butadiene rubber； b. isoprene rubber； c. bionic rubber.

Fig.3 Dispersion grade(A), dispersion(B) and white area(C) of carbon black N134 in bionic rubber as a function of mastication timea. Without mill banding； b. with mill banding.

Fig.4 Tension performance(A—E) and tensile fatigue property(F) of bionic rubber without(a) and with(b) mill banding

Fig.5 Mooney viscosity(A) and GPC results(B) as a function of mastication time for bionic rubbera. Max Mooney viscosity； b. ML1+4100 ℃.

Fig.6 Storage modulus of vulcanized rubber in different mastication time without(A) and with(B, C) mill bandingFrom a to f， the mastication time of bionic rubber are 0.5， 1， 2， 4， 6 and 10 min， respectively.

参考文献 26

1	Qian H. J.， Lyu Z. Y.， Acta Polym. Sin.， 2020， 51（1）， 55-65
	钱虎军，吕中元. 高分子学报， 2020， 51（1）， 55—65
2	Kumar S. K.， Macromolecules， 2017， 50（3）， 714—731
3	Men X.， Wang F.， Int. J. Mol. Sci.， 2019， 20（1）， 50
4	Dhanorkar R. J.， Mohanty S.， Gupta V. K.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2021， 60（12）， 4517—4535
5	Kaita S.， Doi Y.， Kaneko K.， Horiuchi A. C.， Macromolecules， 2004， 37（16）， 5860—5862
6	Bai C. X.， He J. Y.， Dai Q. Q.， Qi Y. L.， Cui L.， Modified Fluorosilicone Isoprene Rubber Useful in Rubber Material， Preferably Bionic Aviation Tire Rubber Material， Is Obtained by Preparing Isoprene Monomer， Fluorosilicone Monomer and Proteins， CN108409975⁃A， 2018⁃08⁃17
	白晨曦，贺剑云，代全权，祁彦龙，崔龙. 一种改性氟硅异戊橡胶及其制备方法、仿生型航空轮胎橡胶材料及其制备方法， CN108409975⁃A， 2018⁃08⁃17
7	Dong W.， Fan W.， Cui L.， Dai Q.， Bai C.， Bionic Rubber Useful in Preparing Aviation Tyre Tread Prepared by Reacting Isoprene Monomer and Auxiliary Agent under the Catalysis of Rare Earth Catalyst， CN113861323A， 2021⁃12⁃31
	白晨曦，代全权，崔龙，范卫锋，董巍. 一种高强度、高定伸应力的仿生橡胶及其制备方法和应用， CN113861323A， 2021⁃12⁃31
8	Fan W.， He J.， Dai Q.， Bai C.， Preparation of High⁃strength Aviation Tire Tread Bionic Rubber Involves Mixing Alkyl Aluminum with Ketone Compound to Obtain Alkyl Aluminum Modified Ketone Compound， Mixing with Rare Earth Catalytic Reaction System of Monomer Isoprene， and Reacting， CN113929803A， 2022⁃01⁃14
	白晨曦，代全权，贺剑云，范卫锋. 一种高强度航空轮胎胎面仿生橡胶及其制备方法、应用， CN113929803A， 2022⁃01⁃14
9	Fan Y.， Fowler G. D.， Zhao M.， J. Clean Prod.， 2020， 247， 119115
10	Ueda E.， Liang X.， Ito M.， Macromolecules， 2019， 52（1）， 311—319
11	Zhang Z. C.， Wang Y. G.， Gu Q. Q.， Lyu Y. P.， Xiao J. S.， Yin Y.， Sun H. G.， Zheng Y. F.， Sun Z. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（8）， 20220155
	张之材，王玉阁，谷倩倩，吕永鹏，肖建数，尹园，孙洪国，郑雅芳，孙昭艳. 高等学校化学学报， 2022， 43（8）， 20220155
12	Karásek L.， Sumita M.， J. Mater. Sci.， 1996， 31（2）， 281—289
13	Roth F. L.， Decker G. E.， Stiehler R. D.， Rubber Chem. Technol.， 1955， 28（4）， 1157—1165
14	Dannenberg E. M.， Rubber Chem. Technol.， 1952， 25（4）， 843—857
15	Ponce M. A.， Ramirez R. R.， Rubber Chem. Technol.， 1981， 54（2）， 211—226
16	Rishi K.， Narayanan V.， Beaucage G.， McGlasson A.， Kuppa V.， Ilavsky J.， Rackaitis M.， Polymer， 2019， 175， 272—282
17	Leigh⁃Dugmore C. H.， Rubber Chem. Technol.， 1956， 29（4）， 1303—1308
18	Lyu Y. P.， Wang Y. G.， Gu Q. Q.， Zhang Z. C.， Xiao J. S.， Yin Y.， Sun H. G.， Zheng Y. F.， Sun Z. Y.， Chin. J. Appl. Chem.， 2022， 39（12）， 1842—1853
	吕永鹏，王玉阁，谷倩倩，张之材，肖建数，尹园，孙洪国，郑雅芳，孙昭艳. 应用化学， 2022， 39（12）， 1842—1853
19	Coran A. Y.， Donnet J. B.， Rubber Chem. Technol.， 1992， 65（5）， 973—997
20	Payne A. R.， Part I.， J. Appl. Polym. Sci.， 1962， 6（19）， 57—63
21	Rooj S.， Das A.， Stöckelhuber K. W.， Wang D. Y.， Galiatsatos V.， Heinrich G.， Soft Matter， 2013， 9（14）， 3798—3808
22	Klüppel M.， Schuster R. H.， Heinrich， G.， Rubber Chem. Technol.， 1997， 70（2）， 243—255
23	Stickney P. B.， Falb R. D.， Rubber Chem. Technol.， 1964， 37（5）， 1299—1340
24	Blow C. M.， Polymer， 1973， 14（7）， 309—323
25	Dannenberg E. M.， Rubber Chem. Technol.， 1986， 59（3）， 512—524
26	Ban L. L.， Hess W. M.， Papazian L. A.， Rubber Chem. Technol.， 1974， 47（4）， 858—894

[1]	常云飞廖明义袁高飞. 硼氢化钠/Ziegler-Natta稀土催化剂还原体系还原液体端羧基氟橡胶[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20230133.
[2]	李成, 周森森, 蒋锡群. 乏氧光学影像探针的设计与应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220558.
[3]	周成思, 赵远进, 韩美晨, 杨霞, 刘晨光, 贺爱华. 硅烷类外给电子体对丙烯-丁烯序贯聚合的调控作用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220290.
[4]	王征文, 高凤翔, 曹瀚, 刘顺杰, 王献红, 王佛松. 基于二氧化碳共聚物的紫外光固化高分子材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220236.
[5]	常云飞, 廖明义, 温佳明. NaBH₄/MCl _x 体系对液体端羧基氟橡胶的还原及还原机理[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20210835.
[6]	陈辰, 陆馨, 赵玉棣, 王立通, 辛忠. 3-甲基邻苯二酚/糠胺型聚苯并噁嗪的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3757.
[7]	杜欣瑶, 王玮, 林宇, 吴国章. 含双酚芴聚碳酸酯的合成与光学性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3765.
[8]	李海勃, 肖长发, 江龙, 黄云, 淡宜. MCM-41分子筛负载氯化铝催化丙烯酸甲酯与1-辛烯共聚[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2974.
[9]	史歌, 徐茜, 代枭, 张洁, 沈军, 宛新华. 芳香取代基结构对螺旋聚乙炔高效液相色谱手性固定相手性识别性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2673.
[10]	李聪, 刘欢欢, 杨桂花, 田中建, 颜家强, 吉兴香, 韩文佳, 陈嘉川. 基于肟-氨基甲酸酯的超强自修复水性聚氨酯胶粘剂的制备及性能分析[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2651.
[11]	韩一秀, 吴殿国, 李宏谱, 殷鸿尧, 梅拥军, 冯玉军, 钟祖勤. 低温非水环境中疏水缔合聚丙烯酸钠与两性离子表面活性剂的相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2056.
[12]	高翼飞, 肖长发, 冀大伟, 黄阳正. 熔融纺丝-拉伸法制备PVDF中空纤维膜及其油-水分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2065.
[13]	杨琳燦, 冷雪菲, 韩丽, 李超, 张松波, 雷岚, 马红卫, 李杨. 基于双锂法的炔基功能化热塑性弹性体的合成[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 866.
[14]	张萌, 王绍森, 辛宇豪, 刘学, 吴秋华, 张国林. 温度/pH响应性MPEG-b-PCL/PNVCL-b-PCL共聚物复合胶束的制备及载药性质[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2822.
[15]	郭文瑾, 王晓晗, 李想, 李洋, 孙俊奇. 基于金属配位键的自修复、可重塑聚丁二烯橡胶的合成及性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2090.