1、加工应用弹性体，（）：作者简介：冯国玉（），男，山东德州人，高级工程师，主要从事人民防空工程方面的建设工作。通讯联系人：徐志敏（），男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要从事橡胶加工工艺以及橡胶配方设计工作。收稿日期：不同种类炭黑对人防门海绵橡胶性能的影响冯国玉，韩易臻，徐志敏，王立城，李凡凯，高华青（山东龙祥新材料科技有限公司，山东 德州 ）摘要：以三元乙丙橡胶（）作为橡胶主体材料，加入不同种类炭黑以及其他原料，通过热空气自由发泡，制备海绵橡胶。通过探讨不同种类炭黑在橡胶中的分散情况，以及对海绵橡胶硫化发泡特性、加工性能、物理性能的影响，结果表明，炭黑 在橡胶中的分散效果最好，炭黑 的分散效果较
2、差；炭黑 填充的海绵橡胶的硫化速率与发泡剂分解速率匹配较好，海绵橡胶密度小，发泡倍率大；炭黑 的 效应最明显，海绵橡胶的力学性能最好。关键词：三元乙丙橡胶；炭黑；海绵橡胶中图分类号：文献标识码：文章编号：（）填料对橡胶制品的性能影响非常大，比较常见的橡胶填料有炭黑、白炭黑、碳酸钙、陶土、滑石粉等。而炭黑是其中应用最广，使用量最大的一种填料，其主要充当补强剂。据不完全统计，炭黑的使用量约占填料使用量的 左右，其中大部分用于橡胶工业。炭黑分为炉法炭黑、槽法炭黑、热裂解炭黑和新工艺炭黑，其中炉法炭黑应用的比较多。从 发现炭黑补强橡胶之后，关于炭黑的结构与橡胶性能之间的研究大量涌现，最终得出结论，影响
3、炭黑作用的基本因素主要有三方面，首先是炭黑粒子的粒径即比表面积，其决定了炭黑粒子之间以及炭黑粒子与高分子之间的有效接触面积；另一个是炭黑的结构度即炭黑的不规则程度，对橡胶变形时制约高分子运动起着十分重要的作用；最后一个是表面活性，影响炭黑粒子与炭黑粒子以及炭黑粒子与高分子之间的相互作用。三元乙丙橡胶（）优异的耐老化性能使其成为海绵橡胶材料研究的重点。海绵材料具有良好的化学稳定性、优异的电绝缘性能、密封防水性能。目前，国内外海绵橡胶研究主要集中在生产配方、生产工艺、发泡机理和应用方面。本文制备的海绵橡胶（统称人防门海绵橡胶），主要应用于人民防空工程的防护密闭门中，起到密封、缓冲、隔热、隔音的作用
4、。通过在人防门海绵橡胶中加入不同种类的炭黑，并且探讨了其分散效果以及对海绵橡胶硫化发泡特性、加工特性、物理特性的影响，为研究不同种类炭黑与海绵橡胶之间的联系与作用，提供了实验参考。实验部分原料 （）：门尼黏度（）为，乙烯质量分数为，第三单体 质量分数为，朗盛常州分公司；（）：门尼黏度（）为，乙烯质量分数为，第三单体 质量分数为，朗盛常州分公司；炭黑：、，山东济宁博拉炭黑有限公司；石蜡油：，上海森迪化工有限公司；碳酸钙：，苏州立达有限公司；发泡剂：，永和精细化工（常熟）有限公司；间接法氧化锌：质量分数不小于，青岛金川氧化锌有限公司；发泡助剂：，科茂化工有限公司；其余原料均为市售。DOI:10.1
5、6665/ki.issn1005-3174.2022.06.007仪器及设备 型密炼机：东莞市正工机电设备科技有限公司；型开炼机：东莞市利拿实业有限公司；型发泡橡胶无转子硫化仪：高铁检测仪器（东莞）有限公司；型门尼机：高铁检测仪器（东莞）有限公司；型橡胶加工分析仪：高铁检测仪器（东莞）有限公司；型微机控制电子拉伸试验机：深圳瑞格尔仪器有限公司；型邵尔橡塑硬度计：营口市材料试验机厂；型密度计：上海和晟仪器科技有限公司；型冲片机：上海化工机械四厂；型双头磨片机：扬州市精博试验机械有限公司；型挤出机：东莞市世研精密仪器有限公司；型电热恒温箱：龙口市电炉总厂；型炭黑分散仪：高铁检测仪器（东莞）有限公司
6、。实验配方实 验 配 方（质 量 份）为：，炭黑，石蜡油，碳酸钙，发泡剂，间接法氧化锌，发泡助剂，硬脂酸，加工助剂，硫磺，促进剂 ，促进剂 ，促进剂 。试样制备（）首先将胶块投入密炼机（温度低于，转速为 ）中混炼 左右，然后加入氧化锌、硬脂酸等原料，混炼均匀后加入石蜡油、炭黑以及碳酸钙，继续混炼 左右，温度达到 时排胶。排胶之后再到开练机上进行混炼，开炼机辊温控制在 左右，将胶料薄通次、打卷次，最后下片，混炼好的胶料停放 停放温度为（）后进行下一步工序。（）停放 后的胶料，按照配方投入开练机中（辊温为 左右），经过 左右的割胶、翻炼，加入硫磺、促进剂、促进剂 、发泡剂等，将胶料薄通次，然后打卷
7、次，混炼均匀后下片，然后停放 停放温度为（）后进行下一步工序。（）将（）中的混炼胶用发泡橡胶无转子硫化仪测定焦烧时间（）和正硫化时间（），然后投入挤出机（机头温度为，机身温度为）中，挤出口模尺寸：长度为 ，宽度为 ，厚度为 试样，将挤出的试样放入 的电热恒温箱中，热空气硫化 后取出，制备成海绵橡胶。性能测试（）炭黑分散性能按照 进行测试。（）硫化发泡特性：使用发泡橡胶无转子硫化仪进行硫化发泡特性曲线测定，测试温度为 ，测试压力为 。（）发泡橡胶的加工性能按照 测试进行。测试硫化性能：硫化，频率为 ，应变为，。测试损耗性能：频率扫描，温度为，应变为，扫描范围为 。测试松弛性能：应变扫描，温度为，
8、频率为，扫描范围为。（）拉伸性能按照 进行测试；硬度按照 进行测试；门尼黏度按照 进行测试；密度按照 进行测试。（）发泡倍率计算见式（）。发泡倍率（）（）式中：，为试样发泡前体积，为发泡后冷却 后试样的体积。结果与讨论不同种类炭黑的分散性能通过图和表可以看出，炭黑 的分散测试结果最低，分散等级 （）为，这主要是因为炭黑 粒子的粒径最小，而比表面积却最大，粒子在混炼的过程中需要浸润的面积也比其他炭黑的面积大，所以炭黑 分散过程比较困难，混炼时极容易形成较大的团状颗粒聚集在一起，造 成 炭黑分散不良。炭黑 、粒子的粒径适中，混炼过程中很难形成团状颗粒，炭黑粒子的分散效果好，炭黑分散等级相对较高。虽
9、然炭黑 、粒子的粒径相对较大，比表面积相对也小，混炼时吃料比较快，但炭黑 、的粒子的结构度相对比较低，混炼时粒子分散较慢，炭黑粒子分散的相对尺寸增大，引起大量未分散的炭黑粒子团聚在一起，炭黑第期冯国玉，等 不同种类炭黑对人防门海绵橡胶性能的影响粒子分散困难，分散效果不好。图不同种类炭黑的分散性照片表不同种类炭黑的分散性测试结果炭黑类型 粒子分散率 分散等级（）海绵橡胶硫化发泡特性和加工性能炭黑种类对海绵橡胶硫化发泡特性的影响见表。表炭黑种类对海绵橡胶硫化发泡特性的影响发泡特性炭黑种类 （）（）通过表可以发现，添加炭黑 海绵橡胶的、时间明显小于其他炭黑，原因是炭黑 粒子的粒径小，混炼时生热速度快
10、，产生大量的热量，促进了橡胶促进剂的快速分解，提高了硫化速率，随着炭黑粒子的粒径增加，发泡橡胶、时间明显增加，延缓了海绵橡胶的硫化速率。炭黑粒子的粒径增加对于海绵橡胶起压时间、发泡时间 影响不大，基本保持不变。同时，炭黑 、的硫化速度明显快于发泡剂分解速率，即 小于，小于。炭黑 、的硫化速度小于发泡剂分解的速度，即 大于，大于。炭黑 的硫化速度与发泡剂的分解速度相差不大，即 时间接近，接近，即交联达到了一定程度后，发泡剂开始分解，产生的气体可以包裹在胶料弹性体第 卷内，不会因为交联太深，阻碍发泡剂分解，也不会因为提前发泡而未交联气体溢出胶料，此时的硫化速度与发泡速度匹配的比较好，有利于发泡。炭
11、黑粒子的粒径增加，胶料的、呈现下降的趋势，门尼黏度下降，胶料的流动性增加，加工性能好。图硫化发泡特性曲线由图曲线可知，为最小扭矩；为最大扭矩；为最小压力；为最大压力；为（）所对应的时间；为（）所对应的时间；为（）所对应的时间；为（）所对应的时间。海绵橡胶 测试应变和频率分别与损耗因子的测试测定橡胶损耗因子（）的目的在于了解胶料的加工性能 ，橡胶 数值越大，其胶料的黏度越大，在加工时胶料的应变滞后较多，胶料的形变量比较小；反之，橡胶 数值越小，胶料的弹性就越大，在加工时胶料的形变比较大。由图可以看到，在温度为 时，橡胶 数值随着应变的不断增加呈现先增加后减小的趋势。当应变处于一个较小的区域内时，
12、橡胶 非常小，不同粒径的炭黑的 无明显的不同；随着应变慢慢增加，不同粒径的炭黑的 迅速增大，炭黑 的 最大，其原因在于炭黑 粒子的粒径最小，形成的炭黑网络越稠密，大量的团状颗粒聚集在一起，应变增加，许多炭黑网络周期性地破坏和重组，被炭黑网络包裹的橡胶大面积的挣脱出来，橡胶与炭黑之间的摩擦变大，粒径越小生热越大，越大。当应变继续增大，被炭黑包裹的橡胶完全暴露出来，橡胶与炭黑之间的摩擦变小，橡胶 逐渐减小，最后趋于稳定的状态。应变图 应变的关系图（，频率）由图可知，在温度为 时，橡胶 数值随着频率的不断增加呈现先增加后减小的趋势。这是因为频率较小时，橡胶的应变跟得上应力作用，橡胶与炭黑之间的摩擦力
13、比较小，橡胶 比较小，当频率继续增大，橡胶的应变慢慢跟不上应力作用，橡胶与炭黑之间的摩擦力变大，橡胶 增大，当频率增大到一定程度后，橡胶的应变远远跟不上应力作用，即橡胶分子链的松弛时间远远大于外力作用时间，分子链之间的缠结增加，刚性增大，弹性减小，在反复形变过程中能量损失减少，橡胶 数值减小。频率 图 频率的关系图（，应变）应变与储能模量的测试由图可知，随着应变的增加，填充不同种类炭黑的橡胶的储能模量（）随之减小，这种现象称之 为 效 应，炭黑 的最 大，效应最明显。在应变较低的范围内，橡胶填充炭黑粒子的粒径越小，橡胶的 越大，即炭黑 的最大，的最小。造成这种现象的原因是 粒子的粒径最小，粒子
14、与粒子之间的距离也最小，就容易产生团聚，形成的炭第期冯国玉，等 不同种类炭黑对人防门海绵橡胶性能的影响黑橡胶网络比较强，在应变比较低的情况下，应变继续增大，需要建立的炭黑橡胶网络数量减少，造成 减少。炭黑粒子的粒径较大，粒子与粒子之间的距离增大，产生粒子聚集的能力就弱，很容易形成比较小的聚集体，很难构成较强的炭黑橡胶网络。当应变增大到一定程度后，主要由橡胶本身和橡胶分子链与炭黑粒子间的缠结作用产成的，这两种缠结作用不受应变的影响，因此，不再依附于应变而达到相对稳定状态。应变图储能模量应变的关系图（，频率）海绵橡胶物理性能由图可知，添加炭黑 的海绵橡胶的密度最小，发泡倍率最大，原因是多方面的，首
15、先炭黑 的粒子在橡胶中的分散等级最好，炭黑粒子均匀地分散在橡胶中，部分炭黑粒子起到了发泡核的作用，增加了泡孔的数量；其次添加炭黑 的海绵橡胶的硫化速度与发泡剂的分解速率匹配的比较好，硫化速率稍早于发泡剂分解速度，气体全部包覆在胶料内；添加炭黑 的发泡橡胶的 效应适中，加工性能比较好。由表可知，添加炭黑 的力学性能最好，说明炭黑粒子的粒径小，形成的炭黑网络结构高，但 效应明显，炭黑粒子的分散程度差。炭黑种类图填充不同种类炭黑的发泡倍率与密度表不同种类炭黑的海绵橡胶的物理性能性能炭黑种类 硬度（）拉伸强度 扯断伸长率 发泡情况无分层，不破边，泡孔数目少，表面光滑无分层，不破边，泡孔细小，表面光滑无
16、分层，不破边，泡孔多，细小而均匀，表面光滑泡孔大而少，表面不光滑泡孔连孔，表面粗糙结论（）通过炭黑分散测试可知，炭黑粒子粒径过小或过大，分散效果都不理想。（）炭黑 填充的海绵橡胶，硫化速度与发泡速率匹配较好；炭黑 、填充的海绵橡胶硫化速度快于发泡剂分解速率；炭黑 、填充的海绵橡胶硫化率度慢于发泡剂分解速率。（）炭黑 填充的海绵橡胶 效应明显，炭黑 填充的海绵橡胶 效应适中，炭黑 、填充的海绵橡胶 效应不明显，加工性能好。（）炭黑 填充的海绵橡胶的力学性能好，发泡倍率低，密度大。参考文献：陈俊敏，刘长安，王国斌，等 炭黑对橡胶补强机理的研究 沈阳化工，（）：那红玉 炭黑增强理论的新发展 炭黑工业，（）：吴友平，贾清秀，刘力，等 橡胶增强的理论研究 合成橡胶工业，（）：钱军民，李旭祥 橡塑型泡沫吸声材料的研究 功能高分子学报，（）：弹性体第 卷郑湘明，杨福馨，杨婷，等食品包装中发泡材料的应用技术研究 中国包装工业，（）：刘畅，孙广平，高桂天，等发泡橡胶在冬季轮胎胎面中的应用机理及性能研究 特种橡胶制品，（）：朱元利 微孔发泡的研究 特种橡胶 制品，（）：张绍芬，王久模，谭海生，等 耐高热输
