赵 祺 张长生 石耀刚(中国工程物理研究院化工材料研究所,绵阳621900)
硅橡胶具有独特的耐高低温、耐老化、耐辐射等性能,在航天、国防、建筑、交通运输等领域有广泛的应用前景[1]。但是,硅橡胶强度低,需要补强才有实用价值。可以通过选择交联剂、填料、橡塑共混等多种途径增强硅橡胶[2-5],其中,白炭黑是硅橡胶常用的补强剂。由于白炭黑表面存在活性羟基、吸附水以及制备工艺导致其表面出现的酸区,使白炭黑呈亲水性,与生胶的亲和性差,粉末易团聚而不易均匀分散,混炼胶易结构化,这些因素影响了硅橡胶的加工工艺性、混炼胶流变特性和材料的力学性能。为了进一步提高硅橡胶混炼胶的力学性能,通常是对白炭黑进行表面处理。即通过一定的工艺,利用一定的化学物质与白炭黑表面的羟基发生反应,消除或减少表面羟基的量,使白炭黑由亲水性变为疏水性,以改善白炭黑与硅橡胶的亲和性[6]。本方法研究了疏水性白炭黑对硅橡胶混炼胶工艺和力学性能的影响。
1 实验部分
1.1 主要原材料
甲基乙烯基硅橡胶110-2,南京东爵有机硅集团公司;疏水性白炭黑,成都今天化工有限公司;T36白炭黑,吉林通化双龙公司;过氧化二异丙苯DCP,沈阳市新西试剂厂;209羟基硅油,晨光化工研究院,其它助剂为市售产品。
1.2 主要仪器与设备
XK-160双辊炼胶机,上海轻工机械研究所;YX-50压力成型机,上海西玛伟力机械有限公司;UR-2030发泡流变仪,育肯公司;YX-1硬度计,上海化工机械四厂;CMT7150材料试验机,珠海三思计量公司;MZ4014可塑度试验机,江都明珠试验机械厂。
1.3 基本配方
基本配方(质量份):乙烯基硅橡胶100,白炭黑40,羟基硅油4,过氧化二异丙苯DCP 1。
1.4 混炼胶及硫化胶样品的制备
硅橡胶混炼胶采用捏合机制备。主要制备过程如下:将生胶和白炭黑按一定比例加入捏合机中,在室温下混炼,白炭黑和羟基硅油分批加入,在捏合机的剪切作用下,白炭黑逐渐进入胶料,加热胶料处理;高温下抽真空1h,冷却后,出料。将制作的混炼胶与硫化剂(DCP)在开炼机上混炼均匀后,出片,在平板硫化机上高温(160℃)模压硫化成型。
1.5 性能测试
邵尔A型硬度:按国标T531-1999测试;拉伸性能:按GB528-92标准对混炼胶硫化胶进行测试;硫化性能:用橡胶发泡流变仪测试,测试温度160℃,测试时间15min。流变性能:按GB/T12828-91制取塑性值试样,测试混炼胶的塑性值、复原值。
2 结果与讨论
2.1 白炭黑对混炼工艺影响
为了提高混炼效果,白炭黑在生胶中的分散需要在混炼过程中分批加入。由于白炭黑的粒径等性能不同,在硅橡胶中的分散能力不同,对硅橡胶混炼工艺有不同的影响。表面处理白炭黑对混炼工艺的影响见表1。
表1可看出,气相法白炭黑由于粒径较小,易于团聚,在硅橡胶中分散较困难,需要加入少量的羟基硅油作为结构控制剂,并且需要分多次加入,混炼时间较长;沉淀法白炭黑次之;相比之下,经过表面处理的白炭黑易于分散到硅橡胶基体中,白炭黑的分散时间减少50%以上。经表面处理的白炭黑表面由亲水性变为疏水性,不仅减少了颗粒的团聚现象,而且改善了白炭黑粒子与硅橡胶分子之间的浸润性,有利于白炭黑粒子在硅橡胶基体中的分散,大幅度缩短了混炼过程中的吃粉时间,提高了胶料的混炼效率。
2.2 混炼胶的流动性
混炼胶的可塑性是反映混炼胶流动性的性能参数,复原值反映混炼胶的弹性。对于海绵制品使用的混炼胶,胶料需要有较好的可塑性才能发泡。大量填料分散在生胶中,不利于胶料的流动,不同白炭黑对胶料的可塑性影响见表2。
由表2可看出,与普通白炭黑相比,表面处理白炭黑增强的混炼胶的塑性值和复原值明显降低,有利于胶料的发泡。气相法白炭黑增强的胶料塑性值过高,胶料流动性差,不利于胶料发泡。
2.3 混炼胶硫化性能
为了解白炭黑的品种和表面性质对硅橡胶混炼胶硫化性能的影响,用流变仪分别对沉淀法白炭黑、疏水性白炭黑增强的胶料进行了硫化性能测试,结果见表3。
由表3可看出,在高温下,与未经过表面处理的白炭黑相比,经过表面处理的疏水性白炭黑补强的胶料,最大硫化速率、加硫指数较低,硫化速率较慢。胶料起始硫化时间与白炭黑性能相关,粒径较小的白炭黑补强胶料的起始硫化时间较长,硫化速率最低;粒径较大的白炭黑补强的胶料,起始硫化时间较短,硫化速率较快。
2.4 混炼胶的力学性能
混炼胶的力学性能是影响硅橡胶海绵力学性能的重要因素。测试了不同白炭黑增强硅橡胶的力学性能,见表4。
由表4可看出,采用气相法增强的HSG混炼胶有较高的硬度和拉伸强度,这是由于气相法白炭黑有较小的粒径,对硅橡胶有较好的补强作用。采用疏水性白炭黑增强的混炼胶的硬度较低,延伸率较高。胶料的拉伸强度受白炭黑粒径影响,粒径较小的白炭黑增强胶料HQ-1的拉伸强度较高。
3 结 论
(1)用表面疏水改性白炭黑增强硅橡胶,可以缩短胶料混炼时间,改善混炼胶的可塑性和硫化性能。
(2)与表面亲水性白炭黑相比,表面疏水性白炭黑增强的硅橡胶有较低的硬度和拉伸强度,较高的延伸率。
参考文献
[ 1 ] 朱灿碧.硅橡胶.[J].化工新型材料,29(5)40:29.
[ 2 ] 郑典模,詹晓力,刘晓红等.白碳黑高档化述评[J].南昌大学学报,1997,19(2):43-46.
[ 3 ] Mark J E, Mccatthy D W.Pdy(dimethylsiloxane) elastomersFrom aqueous emulsions:II. Mechanical properties[J].RubberChemistry Technology,1998,71(5):928-940.
[ 4 ] Wu Jihuai,Shen Zhen,Hu Donghong. Study on bound rubber insilicone rubber filled with modified ultrafine mineral power[J].Rubber Chemistry and Technology,2000,73 (1):19-24.
[ 5 ] 赵祺,雷卫华,古忠云等.硅橡胶/三元乙丙橡胶泡沫合金的研制[J].特种橡胶制品,2000,21(3):8-10.
[ 6 ] 胡义,姚国萍.泡沫硅橡胶用白炭黑的改性[J].有机硅材料.2000(14)6,32-34.
