乳液共混法高岭石/乳液聚合丁苯橡胶复合材料的动态生热性能研究

The dynamic built-up property of tire rubber material is closely related to the rolling resistance and wet resistance of tire, which have important effects on safety and service life of tire products. The theory research on the dynamic built-up of layered clay mineral/styrene butadiene rubber composites are mainly based on montmorillonite. However, there has little report on the dynamic heating built-up property and filler network structure of kaolinite/styrene butadiene rubber composite based on latex blending. In this project, the kaolinite/ emulsion-polymerization styrene-butadiene rubber (ESBR) composites were prepared by latex blending. The dynamic built-up property and its influence factors of kaolinite/ESBR composites were analyzed, and the improved methods for dynamic built-up property of composites were proposed. The characteristic, evolution trend and influence factors of kaolinite network structure in the kaolinite/ESBR composites were discussed. The relationship between dynamic built-up property and microstructure parameters were proposed based on the theory of filler network structure. This project would provide theoretical support for practical application of green rubber based on kaolinite filler, which contain favorable theoretical significance and practical application value.

轮胎橡胶材料的动态生热性能与轮胎的滚动阻力和抗湿滑性紧密相关，对轮胎的安全性和使用寿命具有重要影响。目前层状粘土矿物/轮胎用丁苯橡胶复合材料的动态力学和生热性能理论研究主要基于蒙脱石填料，而针对乳液共混法高岭石/丁苯橡胶复合材料的动态生热性能和填料微观网络结构缺乏系统理论研究。本项目拟将高岭石作为绿色功能性增强填料，以轮胎胎面胶常用的乳液聚合丁苯橡胶（ESBR)为基体，采用乳液共混法制备动态力学性能平衡的高岭石/ESBR复合材料。系统研究高岭石/ESBR复合材料的动态生热性能和关键影响因素，提出改善措施（填料设计和加工条件）；探讨高岭石/ESBR复合材料基体中高岭石填料网络结构特征、演变趋势和影响因素；基于填料网络结构理论建立高岭石/ESBR复合材料微观结构参数与动态生热性能的定性/定量构效关联。该项目可以为基于高岭石填料的绿色橡胶的性能评价提供理论支撑，具有很好的理论价值和实际应用价值。

轮胎橡胶材料的动态生热性能与轮胎的滚动阻力和抗湿滑性紧密相关，对轮胎的安全性和使用寿命具有重要影响。本项目针对乳液共混法高岭石/丁苯橡胶复合材料的动态生热性能和填料微观网络结构进行了系统理论研究。通过沉降虹吸-插层处理-湿法剪切剥片工艺对高岭石进行了超细化处理，确定了湿法剪切剥片+表面修饰的工艺参数(剥片时间、温度、固含量、料球比、改性剂类型、改性剂用量)，高岭石湿法剥片时间为180 min；高岭石固含量在20%~25%之间，高岭石与介质球的比例为0.5，高岭石的中位径（d50）可达到1μm左右；随着高岭石粒度的减小，高岭石的结晶度指数（HI）降低，晶体缺陷敏感度（R2）增加；改性剂以Si-69和KH-550为优，改性剂的用量为0.5%~1.0%。采用H2SO4、MgCl2、Mg(NO3)2、Al2(SO4)3、KAl(SO4)2五种絮凝剂对丁苯胶乳进行了絮凝共凝聚，Al2(SO4)3和KAl(SO4)2的絮凝效果较好，絮凝过程中胶粒团聚小而均匀，絮凝后复合材料的交联密度较大；橡胶复合材料的拉伸强度和撕裂强度最高分别达到15.13 Mpa和51.29 kN/m，分别提高了456%和246%；橡胶复合材料的热分解峰值温度达到446.2℃，提高了约10%；KAl (SO4)2絮凝的橡胶复合材料呈现出出较弱的“Payne”效应同时兼具相对较好的抗湿滑性能和低滞后生热性。随着高岭石的超细化和填充份数增加，高岭石对橡胶基体的限制和阻碍作用增强，表现出较强的“Payne”效应和较好的抗湿滑性能，但滞后生热增大。TEM和SEM显示高岭石在橡胶基体中主要是以堆叠的片层聚合体形式和片层单体形式存在，同时存在结合胶和包容胶。高岭石在橡胶基体中填料网络的形成一方面是填料颗粒之间的直接接触所致；另一方面网络结构的形成是在高岭石片层结构的表面产生一定厚度的橡胶壳，即存在填料粒子直接接触机理和填料表面橡胶壳机理。填充橡胶复合材料的滞后损耗要在不同的温度下取得平衡最好的方式是：在保证高岭石颗粒具有微纳米尺度（纳米效应）的基础上，降低高岭石和橡胶基体的表面差异和填料-填料网络化程度；在未来的工作中，应对高岭石（尤其是煤系高岭石）二维片层进行高效构筑和功能化修饰，在充分解离的高岭石二维片层表面负载有机功能化基团或离子化合物，促进高岭石片层结构与橡胶分子链段的相互作用。