加工工艺对聚异戊二烯类橡胶炭黑分散性与力学性能的影响

doi:10.7503/cjcu20240045

摘要/Abstract

摘要：

天然橡胶、异戊橡胶和仿生橡胶的主要成分均为顺-1,4-聚异戊二烯, 但在蛋白质和磷脂等成分上存在一定差异. 这些差异可能会导致橡胶对混炼工艺的响应不同, 使填料在橡胶中的分散性产生差异, 进而影响硫化胶的动静态性能. 为了探究聚异戊二烯类橡胶在不同混炼工艺下的填料分散性和胶料力学性能变化规律, 本文以N220炭黑为填料, 研究了天然橡胶、异戊橡胶和仿生橡胶这3种聚异戊二烯类橡胶在4种加工工艺下的炭黑分散性和动静态性能. 研究结果表明, 天然橡胶和异戊橡胶的填料分散性和力学性能对炭黑混入时间的响应程度更强, 而仿生橡胶响应较弱. 随着炭黑混入时间的延长, 天然橡胶和异戊橡胶的平均聚集体粒径分别从约22和19 μm下降到约9 μm, 下降程度较明显, 动静态性能得到提升; 而相同工艺条件下仿生橡胶的平均聚集体粒径从约20 μm下降到约16 μm, 且炭黑分散状态较差. 另一方面, 仿生橡胶对塑炼时间响应更加敏感, 延长塑炼时间能够显著降低炭黑的平均聚集体粒径并提升橡胶的伸张疲劳性能. 为此, 本文设计了较长时间(6 min)塑炼结合混炼的工艺, 进一步提升了仿生橡胶的伸张疲劳性能. 为了明晰仿生橡胶对混炼和塑炼工艺响应性产生差异的原因, 探究了不同加工工艺条件下仿生橡胶门尼黏度和分子量的变化规律, 发现适中的分子量以及较窄的分子量分布有利于提升胶料的伸张疲劳性能.

关键词: 聚异戊二烯类橡胶, 炭黑分散, 加工响应, 力学性能

Abstract:

The main components of natural rubber， polyisoprene rubber， and bionic rubber are all cis-1，4-polyisoprene， but there are certain differences in components such as proteins and phospholipids. These differences in composition may lead to different responses of rubber to compounding processes， resulting in variations in the dispersion of fillers in rubber and subsequently affecting the dynamic and static properties of vulcanized rubber. In order to investigate the variation patterns of filler dispersion and rubber mechanical properties of polyisoprene rubbers under different mixing processes， this study employed N220 carbon black as a filler and systematically investigated the carbon black dispersion and dynamic/static properties of natural rubber， polyisoprene rubber， and bionic rubber under four processing techniques. The results of the study show that the filler dispersion and mechanical properties of natural rubber and polyisoprene rubber exhibited a stronger response to the carbon black incorporating time， while bionic rubber showed a weaker response. With increasing carbon black incorporating time， the mean agglomerate size of natural rubber and polyisoprene rubber decreased from approximate 22 μm and approximate 19 μm to approximate 9 μm， resulting in a significant improvement in dynamic/static properties. In contrast， under the same processing conditions， the mean agglomerate size of bionic rubber decreased from approximate 20 μm to approximate 16 μm， and the carbon black dispersion state was poorer. On the other hand， bionic rubber showed a more sensitive response to plasticization time， and an extended plasticization time significantly reduced the mean agglomerate size of carbon black， enhancing its tensile fatigue performance. Accordingly， this study designed a process combining a longer plasticization time（6 min） with compounding， further enhancing the tensile fatigue performance of bionic rubber. To elucidate the reasons for the differential response of bionic rubber to compounding and plasticization processes， the study explored the variation patterns of Mooney viscosity and molecular weight of bionic rubber under different processing conditions. It was found that moderate molecular weight and a relatively narrow molecular weight distribution were conducive to improving the tensile fatigue performance of the rubber.

Key words: Polyisoprene-based rubber, Dispersion of carbon black, Processing response, Mechanical property

中图分类号:

O631

TrendMD:

冯雪阳, 王玉阁, 贺天成, 王珂, 潘立佳, 陈思源, 尹园, 孙洪国, 郑雅芳, 卫来, 孙昭艳. 加工工艺对聚异戊二烯类橡胶炭黑分散性与力学性能的影响. 高等学校化学学报, 2024, 45(6): 20240045.

FENG Xueyang, WANG Yuge, HE Tiancheng, WANG Ke, PAN Lijia, CHEN Siyuan, YIN Yuan, SUN Hongguo, ZHENG Yafang, WEI Lai, SUN Zhaoyan. Influence of Processing Techniques on Carbon Black Dispersion and Mechanical Performance of Polyisoprene-based Rubbers. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20240045.

图/表 8

Fig.1 Mean agglomerate size of carbon black N220 in isoprene rubber, natural rubber and bionic rubber as a function of incorporating time(IT, A) and plasticization time(PT, B)The shaded areas represent error bars of each curve. （A） PT=0.5 min；（B） IT=5.5 min.

Fig.2 Tensile strength(A1, A2), elongation at break(B1, B2), tensile stress at 5% elongation(C1, C2) and tensile stress at 300% elongation(D1, D2) of isoprene rubber, natural rubber and bionic rubber as functions of incorporating time(A1—D1, PT=0.5 min) and plasticization time(A2—D2, IT=5.5 min)The shaded areas represent error bars of each curve.

Fig.3 Tensile fatigue life of isoprene rubber, natural rubber and bionic rubber as functions of IT(A) and PT(B)（A） PT=0.5 min；（B） IT=5.5 min. The shaded areas represent error bars of each curve.

Fig.4 Mean agglomerate size of bionic rubber as a function of ITPT/min： a. 0.5； b. 6. The shaded areas represent error bars.

Fig.5 Tensile strength(A), elongation at break(B), tensile stress at 5% elongation(C) and tensile stress at 300% elongation(D) of bionic rubber as functions of ITPT/min： a. 0.5； b. 6. The shaded areas represent error bars.

Fig.6 Tensile fatigue life of bionic rubber as a function of ITPT/min： a. 0.5； b. 6. The shaded areas represent error bars.

Fig.7 Mooney viscosity(A) and tensile fatigue life(B) of bionic rubber as functions of ITPT/min： a. 0.5； b. 6.

Fig.8 Weight average molecular weight(A), polydispersity index(B) and number⁃average molecular weight(C) of bionic rubber as functions of ITPT/min： a. 0.5； b. 6.

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