橡胶制品在制造过程中通常要加入大量的填充补强剂(填料)，补强填料能改善橡胶的力学性能，如提高拉伸强度、耐磨性、撕裂强度和定伸应力，从而达到提高使用性能，延长使用寿命的作用。主要的补强填料有炭黑、白炭黑、活性钙等。本次试验目的：用贵州的粉石英作为填料和白炭黑作为填料进行填充天然橡胶的试验，把两者制品的力学性能进行对比，说明贵州粉石英能够代替白炭黑填充橡胶。

一、实验原料和仪器

（一）实验原料

超细石英粉：贵州贵定县沉积成因的高纯石英岩，自制超细粉，其白度87％，粉体平均粒度3.61μm，DV90为10.01μm，用硅烷WD50、WD70和硬脂酸改性；白炭黑；天然橡胶。

（二）化学试剂

氨水：化学纯，武汉桥口教学试验工厂；乙醇：化学纯，上海振兴化工一厂；硅烷：WD50，WD70，武汉大学有机硅新材料股份有限公司；氧化锌：工业纯；硬脂酸：工业纯；防老剂：工业纯；促进剂：工业纯；液体石蜡：化学纯；硫磺：分析纯。

（三）实验仪器

SL-101B激光粒度分布仪：辽宁丹东仪表研究所；白度测试仪：杭州轻中试自动化研究所；GH-10DY型实验室用高速混合机：北京英特塑料机械总厂；X(S)K-160开放式炼胶机：上海双翼橡塑机械有限公司；0.25MN半自动压力成型机：上海西玛伟力橡塑机械有限公司；CP-25型切片机：上海化工机械四厂；LX-D型邵氏橡胶硬度计：上海六菱仪器厂。

二、填充实验配方

填充实验的配方是：天然胶100份，氧化锌5份，硬脂酸3份，防老剂TMTD 1份，促进剂D3份，硫磺3份。不同材料的填充量为20、30、40、50、60份。

三、结果与分析

（一）拉伸性能

四种填料填充橡胶后的力学性能测试结果见表1。

1、抗拉强度

由表1可知，四种填料对复合材料抗拉强度的影响，总的变化趋势是一致的，随填充量的增加，抗拉强度逐渐减小，但是抗拉强度的大小是不同的。对WD50改性的石英粉填充材料随填充量的增加，抗拉强度由20份的17.74MPa降低到6.07MPa(60份)；WD70改性粉／橡胶复合材料，抗拉强度由20份的13.70MPa降低到11.21MPa(60份)；白炭黑／天然橡胶复合材料，抗拉强度由20份的14.60MPa降低到10.42MPa(60份)；硬脂酸改性粉／天然橡胶复合材料，抗拉强度由30份的12.22MPa变化为12.94MPa(60份)。在填充量为20份时，最大的抗拉强度是WD50改性粉石英／天然橡胶复合材料(17.74MPa)，其次为白炭黑和WD70改性粉石英／天然橡胶复合材料，分别为14.6MPa和13.70MPa。当填充量增加到30份时，WD70改性粉石英和白炭黑／天然橡胶的复合材料的抗拉强度(15.52MPa，14.19MPa)高于WD50(13.04MPa)和硬脂酸改性的粉石英填充材料(12.22MPa)。当填充量为40份，WD70改性粉，硬脂酸和WD50改性粉抗拉强度相似，为11.29～11.91MPa。白炭黑填充的材料，其抗拉强度较高，为14.85MPa。当填充量为50份时，最好的抗拉强度为WD70改性的石英粉填充的材料。综合分析，WD70改性粉石英和白炭黑填充天然橡胶后，抗拉强度基本一致。

2、 断裂强度

由表知，随着填充量的增加，WD70改性粉石英和白炭黑填料的断裂强度变化趋势一致，随填充量增加，断裂强度降低－增加－降低。硬脂酸改性的粉石英填料，随着填充量的增加，断裂强度增大，填充量大于50份时，又降低。WD50改性粉石英填料，随着填充量的增大，断裂强度越来越低，当填充量20份时，WD50改性粉石英填充的复合材料断裂强度大于15MPa；而白炭黑和WD70改性粉石英填充的复合材料断裂强度小于5MPa。对比石英粉填料和白炭黑填料复合材料的断裂强度，填充量小于30份时，WD70改性粉石英／天然橡胶复合材料的断裂强度高于白炭黑填料。当填料大于30份时，白炭黑填料制品的断裂强度高于WD70改性的粉石英填充的材料。

3、断裂伸长率

由表可知，不同的填充粉对复合材料的断裂伸长率影响不同。随着填充量的增加，这四种填充物都会出现断裂伸长率降低的趋势。对比白炭黑填充物和其他填充物对断裂伸长率的影响，在填充量30份以下时，白炭黑／天然橡胶复合材料的断裂伸长率稍大于其他填充物。当填充量大于40份时，硬脂酸改性的石英粉和WD70改性的石英粉和天然橡胶的复合材料，断裂伸长率大于白炭黑／天然橡胶复合材料。从断裂伸长率角度分析，WD70改性石英粉和硬脂酸改性石英粉完全可以代替白炭黑作为天然橡胶的填料。

4、最大载荷

四种填充材料对复合材料的最大载荷的影响有相似的变化规律，由表可知，随填充量的增加，最大载荷降低，WD70改性粉石英和白炭黑填充形成的复合材料最大载荷一致(0.14～0.2kN)。当填充量为60份时，最大载荷最小为WD50改性石英粉填充形成的复合材料，载荷仅有0.09kN。

5、定伸应力

由表可知，硬脂酸改性、WD50和WD70改性的粉石英填充形成的复合材料，定伸应力的大小随填充量增大变化的趋势相似。一般定伸应力(300％定伸应力)在1.0MPa以下。白炭黑填充制备的复合材料，随着填充量的增大，当填充量从20份增加到60份时，300％定伸应力由0.88MPa增加到1.1MPa，增加的趋势为波浪型。对比这四种复合材料，WD70改性的石英粉和硬脂酸改性填充的复合材料的定伸应力变化趋势一致。白炭黑填充后的复合材料的定伸应力相对其他填料要稍大。

6、定应力伸长率

四种填充物的复合材料随着填充量的增加，定应力伸长率降低，4MPa定应力下，定应力伸长率都大于400％(表1)。对比这四种填料相同填充量下的定应力伸长率，定应力伸长率最小的为白炭黑填料，最大为硬脂酸改性的石英粉填料。仅从定应力伸长率分析，粉石英和白炭黑填料的性能一致。

7、永久变形

WD50改性粉石英填充天然橡胶后永久变形最小，并且随着填充量的增大，变形减少，由20份填充量的1 8.00％的永久变形率变为60份填充量的8.03％(表1)。WD70改性粉石英填充天然橡胶的永久变形率小于白炭黑填充和硬脂酸改性粉填充效果。单考虑扯断永久变形而言，WD50改性的粉石英填充的复合材料性能较好。其次是WD70改性的石英粉，最差为硬脂酸改性的。

（二）硬度

由表1和图l (图中R50：WD50改性粉填充材料；R70：WD70改性粉填充材料；Wc：白炭黑填充材料；Rs：硬脂酸改性粉填充材料)可知，填充石英粉和白炭黑的天然橡胶，其邵尔D型硬度值普遍提高。天然橡胶的硬度为4.6，实验中硬度普遍在5.7以上，最高达9.88。对比这四种填充物对硬度的影响，硬脂酸改性石英粉和WD70改性石英粉，二者填充天然橡胶后，随着填充量的增加，硬度有相似的增大趋势，硬度值在6.12～8.03之间。对比四种填料，白炭黑填充后硬度值最大，在相同填充量下，白炭黑／天然橡胶复合材料的硬度值比其他三种填料要多l～2个硬度值。

（三）撕裂强度

由表1和图2知，WD70改性粉和硬脂酸改性粉，变化趋势一致。白炭黑填料／橡胶复合材料随填充量增加而逐渐降低。在填充20份时都在20～25kN／m之间，比较而言，最大强度的是WD50改性的石英粉，可达24.56kN／m，其次为白炭黑，其值为24.16。填充30份时，撕裂强度有所下降，在20kN／m左右。当填充量增加-lJ40份时，撕裂强度在19～23kN／m，当增加到50份时，出现不同的现象，对WD70改性的石英粉填充天然橡胶后，随着填充量的增加，撕裂强度由21.23kN／m增加到24.58kN／m(20～50份)，而增加到60份时，撕裂强度又降低，但强度仍然较高，为22.07kN／m。对白炭黑，随着填充量的增加，撕裂强度由24.16kN／m降低到21.36kN／m。对比白炭黑和石英粉填充后的撕裂强度值可知，二者相近。甚至WD70改性石英粉填充天然橡胶后撕裂强度普遍都大于天然橡胶的撕裂强度(19.88kN／m)。

综合分析以上各种填料填充天然橡胶的力学性能，贵定县超细石英粉经改性，填充天然橡胶后，力学性能可以和白炭黑填料相比，改性粉石英对天然橡胶具有补强作用。

四、结论

（一）改性粉石英对天然橡胶具有补强作用。硅烷系列的改性剂改性的粉石英，填充橡胶的力学性能优于硬脂酸改性的粉石英。

（二）WD－70改性的粉石英填充天然橡胶，力学性能和白炭黑填料相近，贵州贵定县粉石英可以代替白炭黑作为天然橡胶的补强材料。

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