炭黑、白炭黑及其混合填料在异戊橡胶中的网络化行为

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220095

摘要/Abstract

摘要：

填料的网络化行为对橡胶的补强起重要作用。为了探究炭黑、白炭黑以及炭黑/白炭黑混合填料在橡胶基体中的网络化行为及其对橡胶性能的影响规律，制备了不同填料类型及填充比例的异戊橡胶复合材料，通过对相同混炼和硫化工艺条件下混炼胶和硫化胶的微观形貌、流变及拉伸等性质进行分析，发现3种填料体系在硫化后的颗粒分散程度均好于混炼胶，其中白炭黑在硫化胶中的颗粒尺寸更小但更容易聚集。在混合填料体系中，2种填料倾向于各自形成聚集体，这使得混合填料体系的低应变区储能模量值低于单一填料体系。随着填料质量份数的增加，3种填料体系的断裂强度均呈现先增加后降低的趋势，同时断裂伸长率单调下降，且疲劳温升显著提高。此外，混合填料体系在高填充份数时的疲劳温升高于单一填料体系。

关键词: 填料网络, 橡胶网络, 异戊橡胶, 炭黑, 白炭黑

Abstract:

The network formed by fillers has great influence on the mechanical properties of rubber materials. To understand the formation of network by carbon black， silica， and carbon black/silica mixing fillers in rubber and its influence on the properties of rubber， isoprene rubber/filler composites with different filler loadings are prepared and their micromorphology， rheological and tensile properties are investigated. It is found that the dispersion of fillers is better in rubber after cure than that in rubber before cure for all three rubber systems， and the filler size of silica is smaller than that of carbon black， but the aggregation is more severe in silica filled rubber system. In mixed filler system， the two fillers tend to aggregate separately， leading to the low modulus at small strain than that in single filler system. With the increase of the filler loading， the tensile strength increases first and then decreases， the elongation at break decreases， and the temperature rise in compression flexometer tests increases. Moreover， the temperature rise in mixed filler system is higher than that in single filler system at high filler loading.

Key words: Filler network, Rubber network, Isoprene rubber, Carbon black, Silica

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图/表 6

图1 不同质量份数情况下的炭黑（A）、白炭黑（B）以及炭黑/白炭黑混合填料（C）填充的异戊橡胶硫化曲线和不同填料体系硫化过程中的转矩差（D）、正硫化时间（E）随填料份数的变化关系

Fig.1 Curing curves of isoprene rubber filled with carbon black （A）， silica（B）， and carbon black and silica mixed fillers （C） at different filler loadingsanddifference between maximum torque and minimum torque （D） and the optimum curing time （E） obtained from the curing curve for different filled systems at different loadings

图2 不同填料填充的混炼胶（炭黑（A）、白炭黑（B）、混合填料（C））和硫化胶（炭黑（D）、白炭黑（E）、混合填料（F））在不同应变下的储能模量（G′）

Fig.2 Storage modulus （G′） of unvulcanizated rubber filled with carbon black （A）， silica （B）， and mixed fillers （C）， and vulcanizated rubber filled with carbon black （D）， silica （E）， and mixing fillers （F）

图3 不同填料填充的混炼胶和硫化胶的储能模量在低应变、高应变的差值随填料质量份数（A、B）和体积分数（C、D）的变化关系，以及不同质量份数炭黑（E）、白炭黑（F）和混合填料（G）填充的硫化胶储能模量GVul'与混炼胶储能模量GUn'的差值GVul'-GUn'随应变的变化关系

Fig.3 The difference of storage modulus ΔG′ at small strain and large strain for unvulcanized rubber and vulcanized rubber with different fillers versus the mass fraction （A， B） and volume fraction （C， D）， and the storage modulus difference for vulcanizedrubber GVul' and unvulcanized rubber GVul' filled with carbon black （E）， silica （F） and mixed fillers （G）

图4 不同质量份数炭黑填充硫化胶的TEM结果

Fig.4 TEM images of vulcanized rubber filled with carbon black of different mass fraction

图5 质量份数为45 phr时不同填料填充的混炼胶和硫化胶的扫描电子显微镜SEM结果（A、B）和透射电子显微镜TEM结果（C、D）

Fig.5 SEM （A， B） and TEM （C， D） photograph of unvulcanized rubber and vulcanized rubber filled with different fillers at 45 phr

图6 不同填料填充胶料硫化后的拉伸强度（A）、断裂伸长率（B）和疲劳温升（C）

Fig.6 Tensile strength （A）， elongation at break （B） and temperature rise in compression flexometer tests （C） of vulcanized rubber filled with different fillers

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