摘要：采用机械共混的方法将不同型号改性的凹凸棒土与丁腈橡胶混合，制备出性能优异的AT/NBR混炼胶。凸棒土最小结构单元是直径20～40 nm，长度500～5 000 nm的纳米单晶，单晶平行排列形成晶束，晶束又相互聚集形成各种聚集体，因此，从结构尺寸上来看，AT是高分子材料的理想补强剂。实验采用型号不同的凹凸棒土与丁腈橡胶混合和白炭黑与丁腈橡胶混合做比较，通过加入不同的份数来对其力学性能的测试。对于白炭黑作为填料，AT储量丰富，价格低廉，因而有很好的市场发展前景。可考虑用AT代替白炭黑，进而降低丁腈橡胶制品的成本。 研究结果表明，型号R11凹凸棒土填充丁腈橡胶的补强效果好，当填充AT 40份时，AT/NBR混炼胶综合性能最好，其拉伸强度、撕裂强度、扯断伸长率分别达到5.59 MPa、20.47 KN/m和453%。因此，可考虑用AT代替白炭黑，进而降低丁腈橡胶制品的成本。最后得到最优配方：NBR 100，硫化 23.5，填充补强40，防护 1，软化 2，其他15。
关键词：凹凸棒土；丁腈橡胶；混炼胶；白炭黑
凹凸棒土（Attapuigite，以下简称凹土），是一种多孔性键层状含水富镁铝硅酸盐矿物，理想化学分子式为：Mg5[Ai]（Si8O20）（OH）2（OH2）·4H2O。凹凸棒土由于具有较大的比表面积，使其具有较强的吸附作用，在相当低的浓度下可以形成高黏度的悬浮液，其流变性能决定了它可用作胶体泥浆 、悬浮剂、触变剂以及黏结剂[6，8]。另外，它有着很强的可塑性，当水的质量分数达到其自重的100%时, 凹凸棒土达到其塑性极限。天然的凹凸棒土的阳离子交换能力是相当低的，其值随着粒径的减小而略有增加[7]。凹凸棒土储量丰富，价格低廉，用途广泛，原材料易于较大批量地生产，可较好解决使用纳米技术改造传统复合材料时所出现的人工纳米单元材料批量小且成本高的问题，若将凹凸棒土添加到高分子聚合物中并以纳米级单晶形式分散，可提高聚合物的力学性能耐磨性能和耐热性能等。凹凸棒土另一个有价值的特点是它的化学惰性在现实中也得到了广泛的应用[10]。
丁腈橡胶（Nitrile Butadiene Rubber，NBR）是一种合成橡胶，由丙烯腈与丁二烯单体聚合而成的共聚物，是耐油（尤其是丁腈橡胶烷烃油）、耐老化性能较好的合成橡胶[9]。丁腈橡胶中丙烯腈含量（%）有42～46、36～41、31～35、25～30、18～24等五种。丙烯腈含量越多，耐油性越好,但耐寒性则相应下降。它可以在120 ℃的空气中或在150 ℃的油中长期使用。此外，它还具有良好的耐水性、气密性、半导性及优良的黏结性能[11]。因其性能大量用于耐油制品，及汽车工业，但是其填充剂，对其性能有较大的影响，填充剂的价格也影响着其制品的成本。经过一定的制备工艺，改性的AT能解离成纳米纤维状而较好地分散在NBR中，得到具有一定性能的复合材料[5]。通过试验比较，AT/NBR的各项物理机械性能是否优于其他填充剂对其复合材料的填充效果[2]。
因此，本文主要研究对纳米AT的改性及经改性的AT与NBR的复合工艺，不同份数改性凹凸棒土填充NBR及复合材料的力学性能。
1 实验原料、设备与仪器分析
1.1 实验原材料
实验原材料如表1所示。
表1 实验原材料
1. 2 实验仪器和设备
实验仪器和设备如表2所示。
表2 实验仪器及厂家
1.3 新型凹凸棒土成分分析
凹凸棒土成分分析表如表3所示。
2 实验
2.1 实验配方
实验配方如表4～表7所示。
2.2 结果与讨论
表3 凹凸棒土成分分析
表4 配方1
表5 配方2
表6 配方3
表7 配方4
2.2.1 WCB /NBR物理机械性能
从表8可以看出，胶料单独以白炭黑作为补强填充剂时，加入40份白炭黑的拉伸强度比加入20份和30份白炭黑要好；加入40份白炭黑比加入20份和30份白炭黑的定伸应力和撕裂强度要好，硬度也大；加入20份白炭黑比加入30份和30份的扯断伸长率要好。
表8 WCB/NBR的物理机械性能数据
注： 100%的定伸应力；②165 ℃×8 min硫化。
从表9可以看出，胶料单独以白炭黑作为补强填充剂老化后加入40份白炭黑的拉伸强度、定伸应力扯断伸长率和撕裂强度要比加入20份和30份白炭黑要好，硬度大。
表9 WCB/NBR老化后的物理机械性能数据
根据图1～2可以直观的发现，40白炭黑与NBR的实验配方，其拉伸强度有上升的趋势，其定伸应力和老化性能都优于20白炭黑与NBR和30白炭黑与NBR的配方。
2.2.2 R61型号的AT/NBR物理机械性能
图1 WCB/NBR的拉伸强度
图2 WCB/NBR的定伸应力
从表10可以看出，当加入40份凹土拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度和定伸应力比加入20份和30份凹土的性能要好，硬度大。
表10 R61型号的AT/NBR物理机械性能数据
注：①100%的定伸应力；②20AT 165 ℃×8 min硫化，30AT165 ℃×8 min硫化，40AT 165 ℃×8 min硫化。
从表11结果表明， 胶料单独以凹土作为补强填充剂老化后加入40份凹土的拉伸强度、定伸应力扯断伸长率和撕裂强度要比加入20份和30份凹土要好，硬度大。
表11 R61型号的AT/NBR老化后的物理机械性能数据
根据图3～4可以直观的发现，40凹凸棒土与NBR的实验配方，其拉伸强度有上升的趋势，其定伸应力和老化性能都优于20凹凸棒土与NBR和30凹凸棒土与NBR的配方。
2.2.3 R51型号的AT/NBR物理机械性能
从表12可以看出，当加入40份凹土拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度和定伸应力比加入20份和30份凹土的性能要好，硬度大。
图3 AT(R61)/NBR的拉伸强度
从表13结果表明，胶料单独以凹凸土作为补强填充剂老化后加入40份凹土的拉伸强度、定伸应力和撕裂强度要比加入20份和30份凹土要好；加入20份凹凸土要比加入30、40份凹土的扯断伸长率要高；加入30份凹土要比加入20、40份凹土的硬度大。
图4 AT(R61)/NBR的定伸应力
表12 R51型号的AT/NBR物理机械性能数据
注：①100%的定 伸 应 力；②20AT 165℃×8 min硫 化，30AT165 ℃×8 min硫化，40AT 165 ℃×8 min硫化。
表13 R51型号的AT/NBR老化后的物理机械性能数据
根据图5～6可以直观的发现，40凹凸棒土与NBR的实验配方，其拉伸强度有上升的趋势，其定伸应力和老化性能都优于20凹凸棒土与NBR和30凹凸棒土与NBR的配方。
图5 AT(R51)/NBR的拉伸强度
2.2.4 R11型号的AT/EPDM物理机械性能
从表14可以看出，当加入40份凹土拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度和定伸应力比加入20份和30份凹土的性能要好，硬度大。
图6 AT(R51)/NBR的定伸应力
表14 R11型号的AT/NBR物理机械性能数据
注：①100%的定伸应力；②20AT 165 ℃×8 min硫化, 30AT165 ℃×8 min硫化，40AT 165 ℃×8 min硫化。
从表15结果表明，胶料单独以凹凸土作为补强填充剂老化后加入40份凹土的拉伸强度、定伸应力扯断伸长率和撕裂强度要比加入20份和30份凹土要好，硬度大。
表15 R11型号的AT/NBR老化后的物理机械性能数据
根据图7～8可以直观的发现，40凹凸棒土与NBR的实验配方，其拉伸强度有上升的趋势，其定伸应力和老化性能都优于20凹凸棒土与NBR和30凹凸棒土与NBR的配方。
2.2.5 R61、R51、R11型号的AT/NBR物理机械性能比较
从图9～13可以看出凹土的填充性能一般情况随凹凸土的比例增加，橡胶的性能增加。加入40份凹凸土(R11）的拉伸强度、定伸应力、撕裂强度都略好于R61、R51型号的凹凸棒土，老化后其各方面性能也都较好。从折线图可以看出加入R51型号的凹凸棒土的性能最差，加入R61型号的凹凸棒土的性能略低于加入R11的性能。
图7 AT(R11)/NBR的拉伸强度
图8 AT(R11)/NBR定伸应力
图9 AT/NBR的拉伸强度
图10 AT/NBR的定伸应力
2.2.6 耐磨性能
橡胶制品的磨耗是一种常见的破坏现象，它是一种由于摩擦而引起橡胶表面微观脱落的现象，橡胶制品的耐磨性能的优劣在很大程度上决定着产品的使用寿命，因而耐磨性是橡胶性能一项重要指标，为了测定橡胶耐磨性，我国现行的橡胶制品技术标准多以阿克隆磨耗机来测定橡胶耐磨性[1,3,4]。
图11 AT/NBR的撕裂强度
图12 AT/NBR的扯断伸长率
图13 AT/NBR的硬度
阿克隆磨耗试验的结果可用磨耗体积和磨耗指数来表示。
磨耗体积的值如表16所示。
从图14～15可以看出，凹土的用量多少对测得的磨耗性能是有一定的影响的，它随着凹土用量的增加而其磨耗性能逐渐增加。白炭黑/NBR与R61凹土/NBR的耐磨性小，其性能就好。
3 实验结论
（1）采用型号R11的凹凸棒土作为填料用来补强丁腈橡胶，所制备的AT/NBR混炼胶具有相对较好的综合力学性能。
表16 阿克隆磨耗
图14 NBR/AT(WCB)的密度
图15 NBR/AT(WCB)的磨耗值
（2）AT的填充量对与AT/NBR混炼胶的力学性能影响较大，研究结果表明，当AT填充分数为40份时，改性AT补强的AT/NBR混炼胶的综合力学性能最好。
（3）同等份的AT与白炭黑比较时，白炭黑的物理综合性能超过AT性能，但成本高于AT，从长远眼光来看AT可能会代替白炭黑或与白炭黑并应使产品达到理想的效果。
（4）R61型号的凹凸棒土的耐磨性能略好，因为填充凹凸土的性能的不同，直接导致其混炼胶性能的差距。
（5）得到最优配方如下所示：
NBR 100
氧化锌 5
硬脂酸 3
氧化镁 10
钛白粉 15
促进剂DM 2
防老剂D 1
硫磺 3.5
凹凸土（R11） 40
聚乙二醇 2
