橡胶配方设计与性能的关系

第二节橡胶配方设计与性能的关系

一、橡胶配方设计与硫化橡胶物理性能的关系

（一）拉伸强度

拉伸强度表征硫化橡胶能够抵抗拉伸破坏的极限能力。虽然绝大多数橡胶制品在使用条件下，

不会发生比原来长度大几倍的形变，但许多橡胶制品的实际使用寿命与拉伸强度有较好的相

关性。研究高聚物断裂强度的结果表明，大分子的主价健、分子间的作用力（次价健）以及大分子链的柔性、松弛过程等是决定高聚物拉伸强度的内在因素。

下面从各个配合体系来讨论提高拉伸强度的方法。

1. 橡胶结构与拉伸强度的关系

相对分子质量为（3.0~3.5）X 105的生胶，对保证较高的拉伸强度有利。

主链上有极性取代基时，会使分子间的作用力增加，拉伸强度也随之提高。例如丁腈橡胶随丙烯腈含量增加，拉伸强度随之增大。

随结晶度提高，分子排列会更加紧密有序，使孔隙和微观缺陷减少，分子间作用力增强，大

分子链段运动较为困难，从而使拉伸强度提高。橡胶分子链取向后，与分子链平行方向的拉

伸强度增加。

2. 硫化体系与拉伸强度的关系

欲获得较高的拉伸强度必须使交联密度适度，即交联剂的用量要适宜。交联键类型与硫化橡胶拉伸强度的关系，按下列顺序递减：离子键＞多硫键＞双硫键〉单硫键＞碳-碳键。拉伸强度随交联键键能增加而减小，因为键能较小的弱键，在应力状态下能起到释放应力的作

用，减轻应力集中的程度，使交联网链能均匀地承受较大的应力。

3. 补强填充体系与拉伸强度的关系补强剂的最佳用量与补强剂的性质、胶种以及配方中的其他组分有关：例如炭黑的粒径越小，表面活性越大，达到最大拉伸强度时的用量趋于减少；软质橡胶的炭黑用量在40~60份时，硫化胶的拉伸强度较好。

4. 增塑体系与拉伸强度的关系

总地来说，软化剂用量超过5份时，就会使硫化胶的拉伸强度降低。对非极性的不饱和橡胶

（如NR、R SBR BR）,芳烃油对其硫化胶的拉伸强度影响较小；石蜡油对它则有不良的

影响；环烷油的影响介于两者之间。对不饱和度很低的非极性橡胶如EPDM、IIR,最好使用不饱和度低的石蜡油和环烷油。对极性不饱和橡胶（如NBR, CR）,最好采用酯类和芳烃油

软化剂。

为提高硫化胶的拉伸强度，选用古马隆树脂、苯乙烯-茚树脂、高分子低聚物以及高黏度的

油更有利一些。

5．提高硫化胶拉伸强度的其他方法

(1)橡胶和某些树脂共混改性例如NR/PE共混、NBR/PVC共混、EPDM/PP共混等均可

提高共混胶的拉伸强度。

( 2) 橡胶的化学改性通过改性剂在橡胶分子之间或橡胶与填料之间生成化学键和吸附键，以提高硫化胶的拉伸强度。

( 3) 填料表面改性使用表面活性、偶联剂对填料表面进行处理，以改善填料与橡胶大分子间的界面亲和力，不仅有助于填料的分散，而且可以改善硫化胶的力学性能。

(二)定伸应力和硬度

定伸应力和硬度都是表征硫化橡胶刚度的重要指标，两者均表征硫化胶产生一定形变所需要的力。定伸应力与较大的拉伸形变有关，而硬度与较小的压缩形变有关。

1 ．橡胶分子结构与定伸应力的关系橡胶分子量越大，游离末端越少，有效链数越多，定伸应力也越大。

凡是能增加橡胶大分子间作用力的结构因素，都可以提高硫化胶网络抵抗变形的能力，使定伸应力提高。例如橡胶大分子主链上带有极性原子或极性基团、结晶型橡胶等结构因素使分子间作用力增加，因此其定伸应力较高。

2．硫化体系与定伸应力的关系交联密度对定伸应力的影响较为显著。随交联密度增大，定伸应力和硬度几乎呈线性增加。

3．填充体系与定伸应力的关系填充的品种和用量是影响硫化胶定伸应力和硬度的主要因素。定伸应力和硬度均随填料粒

径减小而增大，随结构度和表面活性增大而增大，随填料用量增加而增大。

4．提高硫化胶定伸应力和硬度的其他方法

( 1 ) 使用酚醛树脂/硬化剂，可与橡胶生成三维空间网络结构，使硫化胶的邵尔 A 硬度达到95。例如用烷基间苯二酚环氧树脂15 份/促进剂H1.5 份，可制作高硬度的胎圈胶条．

( 2) 在EPDM 中添加液态二烯类橡胶和多量硫黄，可制出硫化特性和加工性能优良的高硬度硫化胶。

(3)在NBR中添加齐聚酯，NBR/PVC共混、NBR/三元尼龙共混等方法均可使硫化胶的邵

尔 A 硬度达到90 。

(三)撕裂强度

撕裂是由于硫化胶中的裂纹或裂口受力时迅速扩展、开裂而导致的破坏现象。撕裂强度是试页眉内容

样被撕裂时单位厚度所承受的负荷。撕裂强度与拉伸强度之间没有直接的关系，也就是说拉伸强度高的硫化胶其撕裂强度不一定也高。

1．橡胶分子结构与撕裂强度的关系随分子量增加，分子间的作用力增大，撕裂强度增大；

但是当分子量增大到一定程度时，其撕裂强度逐渐趋势于平衡。结晶型橡胶在常温下的撕裂强度比非结晶型橡胶高。

常温下NR和CR的撕裂强度较高，这是因为结晶型橡胶撕裂时产生的诱导结晶，使应变能

力大为提高。但是高温下除NR外，撕裂强度均明显降低。而填充炭黑后的硫化胶撕裂强度均明显提高。

2．硫化体系与撕裂强度的关系撕裂强度随交联密度增大而增大，但达到最大值后，交联密度再增加，撕裂强度则急剧下降。

3．填充体系与撕裂强度的关系随炭黑粒径减小，撕裂强度增加。在粒径相同的情况下，结构度低的炭黑对撕裂强度有利。使用各向同性的填料，如炭黑、白炭黑、白艳华、立德粉和氧化锌等，可获得较高的撕裂强度；而使用各向异性的填料，如陶土、碳酸镁等则不能得到高撕裂强度。

某些改性的无机填料，如用羧化聚丁二烯（CPB）改性的碳酸钙、氢氧化铝，可提高SBR硫化胶的撕裂强度。

4．增塑体系对撕裂强度的影响

5. 一般添加软化剂会使硫化胶的撕裂强度降低。尤其是石蜡油对SBR硫化胶的撕裂强度

极为不利，而芳烃油则可使SBR硫化胶具有较高的撕裂强度，随芳烃油用量增加。

（四）耐磨耗性耐磨耗性表征硫化胶抵抗摩擦力作用下因表面磨损而使材料损耗的能力。它是个与橡胶制品使用寿命密切相关的力学性能，它不仅与使用条件、摩擦副的表面状态以及制品的结构有关，而且与硫化胶的其他力学性能和黏弹性能等物理-化学性质等有关，其影响因素很多。1．胶种的影响

在通用的二烯类橡胶中，耐磨耗性按下列顺序递减：BR>溶聚SBR>乳聚SBR> NR> IR。BR

耐磨耗性好的主要原因是它的玻璃化温度（Tg）较低（—95~105C）,分子链柔顺性好，弹

性高。SBR的耐磨耗性随分子量增加而提高。

NBR硫化胶的耐磨耗性随丙烯腈含量增加而提高，XNBR的耐磨耗性比NBR好。聚氨酯（PU）是所有橡胶中耐磨耗性最好的一种橡胶，在常温下具有优异的耐磨性，但在高温下它的耐磨性会急剧下降。