白炭黑/炭黑混合填料补强仿生橡胶的性能

doi:10.7503/cjcu20230512

摘要/Abstract

摘要：

白炭黑/炭黑混合填料是近年来发展最快的一种新型橡胶材料补强剂, 主要用来改善橡胶材料的动态性能. 为了探究混合填料比例和密炼工艺对仿生橡胶动静态力学性能的影响机制, 设计了两组实验: (1) 固定密炼时间为6 min, 采用不同混合比例的白炭黑/炭黑填料填充仿生橡胶, 并对其分散、拉伸、疲劳及滚动阻力等性能进行系统研究. 结果表明, 当白炭黑在填料中的质量分数<50%时, 随着白炭黑质量分数的增加, 硫化胶拉伸强度显著下降, 这是由于混合填料引起的分子链最大交联程度下降所致. 进一步增加白炭黑含量, 硫化胶的拉伸性能变化不明显, 但分散等级由约1级提升至约9级, 填料团聚体尺寸的减小使硫化胶的断裂伸长率和伸张疲劳寿命显著提高. (2) 在固定混合比(填料中白炭黑的质量分数为75%)条件下, 研究了密炼时间对硫化胶动静态力学性能的影响. 结果表明, 在2~10 min密炼时间范围内, 4 min密炼即显著提升拉伸强度、 300%定伸应力以及断裂伸长率, 同时降低滚动阻力. 主要原因是此时分子链的最大交联程度较大, 分散等级和分散度较高. 进一步延长密炼时间(6~10 min), 填料在橡胶中易发生重新聚集, 聚集体平均粒径增大且分散度下降, 对橡胶的动静态性能会产生负面影响.

关键词: 仿生橡胶, 白炭黑, 炭黑, 动静态力学性能

Abstract:

Silica/carbon black（CB） mixed filler is one of the fastest-developing novel reinforcement agents for rubber materials in recent years， primarily employed to enhance the dynamic performance of rubber materials. In order to explore the influence of hybrid filler ratios and mixing processes on the dynamic and static mechanical properties of bionic rubber， two sets of experiments were designed：（1） with a fixed mixing time of 6 min， the bionic rubber was filled with silica/CB fillers at different mixing ratios， and a systematic study of properties， such as dispersion， tensile strength， fatigue and rolling resistance of the bionic rubber was conducted. The results show that when the mass fraction of silica in the fillers is less than approximately 50%， the tensile strength decreases with increasing the silica content， attributed to the decrease in the maximum cross-linking degree of molecular chains. However， with a further increase in silica content， the dispersion grade of vulcanizate increases from about 1 to about 9， leading to a reduction in filler agglomerate size and a significant increase in elongation at break and stretching fatigue life. （2） Under fixed mixing ratio conditions（mass fraction of silica in the fillers is 75%）， the influence of mixing time on its dynamic and static mechanical properties was studied. The results show that within the studied mixing time range of 2—10 min， 4 min mixing significantly increases tensile strength， 300% modulus， and elongation at break， while reducing rolling resistance. This is mainly attributed to the larger maximum cross-linking degree of molecular chains and higher dispersion level and dispersion at this time. With a further increase in the mixing time（6—10 min）， fillers in rubber tend to re-aggregate， leading to an increase in the mean agglomerate size and a decrease in dispersion， negatively impacting the dynamic and static properties of the rubber.

Key words: Bionic rubber, Silica, Carbon black, Dynamic and static mechanical property

中图分类号:

O631

TrendMD:

王珂, 王玉阁, 贺天成, 冯雪阳, 潘立佳, 陈思源, 尹园, 孙洪国, 郑雅芳, 卫来, 孙昭艳. 白炭黑/炭黑混合填料补强仿生橡胶的性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(4): 20230512.

WANG Ke, WANG Yuge, HE Tiancheng, FENG Xueyang, PAN Lijia, CHEN Siyuan, YIN Yuan, SUN Hongguo, ZHENG Yafang, WEI Lai, SUN Zhaoyan. Properties of Bionic Rubber Reinforced by Silica/carbon Black. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20230512.

图/表 7

Fig.1 Scorch time(a) and positive vulcanization time(b)(A), difference between maximum and minimum torque(a) and maximum torque(b)(B), Mooney viscosity(C) of bionic rubber filled with different silica content reltive to total fillersw(silica) is the mass fraction of silica in the fillers.

Fig.2 Dispersion grade(a) and dispersion(b)(A), white area(a) and mean agglomerate size(b)(B) of bionic rubber filled with different silica content and storage modulus of vulcanized rubber under different strains(C)Inset of （C）： the storage modulus difference between small strain and large strain of vulcanized rubber filled with different silica content. From a to f， the silica mass fraction in total fillers are 0， 33%， 50%， 67%， 75%， 100%， respectively.

Fig.3 Dispersion diagram of fillers in vulcanizatesw(silica)： (A) 0； (B) 33%; (C) 50%; (D) 67%; (E) 75%; (F) 100%.

Fig.4 Tensile stress at 300% elongation(a) and tensile strength(b)(A), elongation at break(a) and tensile fatigue life(b)(B) and loss factor(tanδ at 60 ℃)(C) of bionic rubber with different silica content in total filers

Fig.5 Scorch time(a) and positive vulcanization time(b)(A), difference between maximum and minimum torque(a) and maximum torque(b)(B) and Mooney viscosity(C) of bionic rubber with different mixing time

Fig.6 Dispersion grade(a) and dispersion(b)(A), white area(a) and mean agglomerate size(b)(B) of bionic rubber with different mixing time and storage modulus of vulcanized rubber under different strains(C)Inset of （C） shows the storage modulus difference between small strain and large strain of vulcanized rubber with different mixing time. From a to f， the mixing time of bionic rubber are 2， 3， 4， 6， 8， 10 min， respectively.

Fig.7 Tensile stress at 300% elongation(a) and tensile strength(b)(A), elongation at break(a) and tensile fatigue life(b)(B) and tanδ at 60 ℃(C) of bionic rubber with different mixing time

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