SiCB在橡胶补强中的作用及改进方法的研究

发布时间：2020-06-21 06:26

【摘要】：橡胶产品因其具有高弹性、绝缘性、耐酸碱腐蚀性等优异的物理化学性能而被广泛应用于日常生活、农业生产、医疗卫生、电子通讯、汽车制造和航天航空等领域。其中填料在橡胶中起着至关重要的作用,可以弥补橡胶本身缺陷,增强产品的性能。目前工业中常见的补强填料主要为炭黑和白炭黑——二氧化硅两种,但它们都属于不可再生的矿物产品,由于矿物资源短缺和填料生产过程严重污染环境,急需寻找可再生资源作为原料生产化工产品,代替炭黑和二氧化硅。稻壳灰,作为一种可再生的生物质资源稻壳燃烧或热解后的产物,由二氧化硅和炭两种成分组成,因此稻壳灰被认为有潜力可以代替或部分代替炭黑和/或白炭黑成为橡胶填料。首先,本论文探究了硅炭黑(SiCB)与商业炭黑理化性能的差异,为硅炭黑的应用提供基础数据;其次将硅炭黑填充到天然橡胶中,比较填料份数对硫化胶力学性能和黏弹性能的影响,综合分析了硅炭黑作为一种橡胶填料的可能性和特点;最后,对硅炭黑表面进行改性,探究了改性条件对硅炭黑表面结构的影响,进而研究了硅炭黑与橡胶基体间的界面相互作用。取得的研究结果如下:1.硅炭黑中二氧化硅和炭的质量比例大约为1:1,由于稻壳天然的纳米结构,热解后一部分炭包覆在二氧化硅纳米粒子表面,能有效避免二氧化硅的自身团聚。硅炭黑的比表面积高达239.42 m~2/g,这归结于硅炭黑继承自稻壳炭化时所形成的孔隙结构。硅炭黑保留了稻壳炭化后形成的孔隙结构,其结构与炭黑不同,不存在呈葡萄球状的链状分布,而是由粒径约20 nm左右的小球聚集成的约为300nm的团聚体。2.为了评估SiCB在橡胶内的补强作用并推测SiCB的补强能力和补强机理模型。将不同填料phr的硅炭黑和炭黑填充到天然橡胶中,随着填料phr的增加,混炼胶硫化曲线中的最高扭矩和最低扭矩都有所增加,填料为硅炭黑的混炼胶的焦烧时间和正硫化时间要比FEF(Fast Extruding Furnace Carbon Black)低一些。在一定范围内,随着填料量的增加,硫化胶的拉伸强度和断裂伸长率均呈降低的趋势,定伸应力却呈现上升的趋势。并且硅炭黑的断裂伸长率要明显优于FEF。3.由于SiCB与天然胶复合弹性体网络结构在动态应变下的变化,可以直接用以描述弹性体的黏弹性能。因此我们针对SiCB填充橡胶的应力-应变描述、Mullins效应和应力松弛进行一系列测试,分析研究硅炭黑作为橡胶填料更多可能的优势,扩展其应用领域。实验结果表明SiCB作为一种新的填料,其在天然橡胶中与炭黑等传统填料一样也会产生应力软化和应力松弛现象,并且在填料phr相同的情况下,以SiCB为填料的硫化胶要比SRF(Semi-Reinforcing Furnace Carbon Black)的对应试样体现出更好的黏弹性。在单轴拉伸情况下,50 phr的SRF和SiCB在350%应变下第四次循环加卸载之后的应力最大值,分别较第三次的下降4.60%和3.30%;同时,在定应变应力松弛中,70 phr的SRF和SiCB松弛因子分别为0.67和0.75。SiCB比SRF体现出更好的抗应力软化特性和抗松弛特性。4.利用酚醛树脂对SiCB的表面进行改性处理。探究改性条件对硅炭黑表面结构的影响,研究硅炭黑界面与橡胶基体间的相互作用。结果表明硅炭黑的改性条件对硅炭黑填充NR/BR硫化胶的力学性能有重要影响。在填料量为180 g,改性温度为100℃,反应时间为10 min,PF用量为3%时,使用200 ml双轴密炼设备得到了最佳改性条件。在最佳条件下改性后的硅炭黑制备出的硫化胶的拉伸强度为7.07 MPa,撕裂强度为26.42 kN/m,300%定伸应力3.34 MPa,并且已经达到了半补强炭黑SRF的补强效果(拉伸强度为6.46 MPa,撕裂强度为27.36kN/m,300%定伸应力为3.69 MPa)。5.根据正交实验发现,改性温度对300%定伸应力的结果影响最大。通过单因素实验改变反应温度,发现随着温度的升高,硅炭黑填充NR/BR硫化胶的拉伸强度、撕裂强度和300%定伸应力都会先升高后降低,在100℃时达到最大值,和未改性的SiCB相比分别增加了73.71%、21.08%和16.78%。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ330.15;TQ127.2

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