全 文 ：第 39 卷第 6 期
2011年 6月
化　工　新　型　材　料
NEW CHEM ICAL MATERIA LS
Vol.39 No.6
· 127·
基金项目:上海高校“ 085”知识创新工程建设项目(JZ0904)、柳州市经委资助项目(柳经通 2009159)及上海工程技术大学与上海博大集团合作项目
(08HG-002)
作者简介:王继虎(1974-),男 ,博士研究生 ,讲师 ,研究方向为功能高分子材料。
联 系 人:唐忠锋。
废弃白麻石粉/橡胶的力学性能研究
王继虎1 　陈有双2 　唐忠锋2＊　陶　冶3
(1.上海工程技术大学化学化工学院 , 上海 201620;
2.广西工学院生物与化学工程系 ,柳州 545006;3上海博大企业集团 ,上海 201702)
摘　要　将山东白麻花岗岩进行粉碎细化 ,采用不同的偶联剂对白麻石粉进行活化制备白麻石粉/橡胶复合材料。
研究了偶联剂的种类 、用量及石粉添加量对复合材料力学性能的影响。结果表明:采用 5.0 %的硬脂酸改性白麻石粉 ,在
100 份橡胶中填加 30 份白麻石粉后 ,复合材料的力学性能最佳。活化后白麻石粉具有优异的补强效果及理想的加工特
性 ,可替代炭黑实现其在橡胶中的应用。
关键词　白麻石 ,天然橡胶 , 拉伸性能 ,补强
Mechanical property of waste white granite powder/natural rubber composites
Wang Jihu1 　Chen Youshuang2 　Tang Zhongfeng2 　Tao Ye3
(1.College of Chemistry and Chemical Enginee ring , Shanghai Universi ty of Engineering Science ,
Shanghai 201620;
2.Department of Biolog ical and Chemical Eng ineering , Guangxi Unive rsity o f Technolog y ,
Liuzhou 545006;
3.Shanghai BoDa Enterprise G roup , Shanghai 201702)
Abstract　Natural rubber/ w hite g ranite pow de r composite ma te rials w ere pr epar ed by direct blending methods after
fine powder w as modified by different coupling agent.The effect of mechanical proper ties w as studied by coupling agent
and the w hite g ranite pow de r content.The results showed that the excellent mechanical prope rties of composites w ere at-
tained after the 30 percent powder w as modified by 5 content stearic acid coupling agent.Activ ated w hite g ranite powder
had excellent reinfo rcement effect and ideal pro ce ssing characteristics , and can replace carbon black in rubber to achieve its
application.
Key words　white g r anite , natural rubber , tensile proper ty , reinfor cement
　　花岗岩的主要成分是硅酸盐 , 其化学成分与白炭黑相似。
通常情况下花岗岩以其坚固质地 , 靓丽多彩的色调和神奇变
幻的条纹被广泛地应用到建筑领域[ 1-2] 。由于花岗岩具有特
殊的性质和廉价的开发成本 , 正日益受到人们的关注[ 3-4] 。近
年来 ,将硅酸盐作为填料填充橡胶材料的发展非常迅速[ 5-13] 。
硅酸盐粉体的加入 ,一方面降低了橡胶材料制品的收缩率 , 提
高了尺寸稳定性 、刚度也获得了改善;另一方面提高了花岗岩
石材本身的附加值 ,降低橡胶材料的生产成本 ,具有更好的经
济效益 ,在国内外市场上有较大的需求。
炭黑和白炭黑是橡胶材料中常用的填料 , 其价格昂贵 , 对
环境污染性大 ,必须寻求新的填料加以替代。山东白麻石为
花岗岩 ,主要成分与白炭黑相似 , 其强度高 、价格低。本研究
利用球磨机对废弃的山东白麻花岗岩进行碾磨 , 采用不同的
偶联剂活化处理制备白麻石粉/天然橡胶复合材料。研究不
同的偶联剂种类 、添加量对材料性能的影响 , 从而实现对炭黑
材料的替代。该研究一方面可充分利用废弃的石材 , 减少由
于炭黑使用所带来的污染;另一方面可降低橡胶的成本 , 因而
具有重要的经济效益和环境效益。
1　实验部分
1.1　原料及配方
天然橡胶:100 份 , 海南省农垦总公司;硬脂酸:1 份;氧化
锌:5 份;促进剂 M (2-硫醇基苯并噻唑):1.2 份;促进剂 D(二
苯胍):1 份;促进剂 DM(二硫化四甲基秋兰姆):0.2 份;防老
化剂(N-苯基-β-苯胺):1 份;机器油:8 份;硫磺:2.5 份;白麻
石粉:变量;偶联剂(硬脂酸 、钛酸酯 , 硅烷(Si-69):上海助
剂厂。
1.2　白麻石粉的细化及表面改性
为提高白麻石粉的细度 , 采用球磨机对废弃的山东白麻
石进行碾磨 , 过筛细化。 利用 3 种不同的偶联剂(硬脂酸 、钛
化 工 新 型 材 料 第 39 卷
酸酯 , Si-69)对白麻石粉进行改性活化 , 进而增强其与橡胶材
料的相容性。称取定量白麻石粉 ,改性剂按照 1.0%、5.0%的
用量在高速旋转的中药粉碎机中活化 , 通过离心力的作用使
得改性剂包覆在石粉表面。
1.3　白麻石粉/橡胶复合材料的制备
1.3.1　混炼胶制备
先利用炼胶机对天然橡胶混炼 , 然后依次加入硬脂酸 、氧
化锌 、各类促进剂 、防老化剂 , 最后加入白麻石粉和机器油。
放置 24h 后加硫磺混炼。
1.3.2　硫化工艺
橡胶经开放式炼胶机塑炼 、混炼后 ,采用硫化仪测定胶料
的硫化曲线 ,由曲线确定正硫化时间。采用 QLB350×350×2
加热平板硫化机硫化 , 温度为 150℃, 时间为 5min , 压力
15MPa。
1.4　测试与表征
硫化特性的测定:采用无锡蠡园电子设备厂 MDR-2000
型硫化曲线测定仪测定混炼胶的硫化曲线 , 确定最佳硫化
条件。
力学性能:按 GB/ T 528-92 标准 , 将试样裁剪为哑铃形 ,
在台湾高铁检测仪器有限公司的 TCS-2000 型拉力机上测定
试样的拉伸性能 ,拉伸速度为 500mm/min。
2　结果与讨论
2.1　硫化曲线确定
用硫化仪测定混炼胶的硫化曲线 , 确定最佳硫化条件 , 测
试温度为 150℃, 如图 1 所示。
图 1　白麻石粉/橡胶复合材料的硫化曲线
由图 1 可看出 , t10 =0.78min , t90 =2.13min , 根据实际情
况及硫化曲线图可以确定最佳硫化条件为 150℃×5min。
2.2　复合材料的拉伸性能变化
表 1 为未改性白麻石粉/橡胶复合材料的拉伸性能 。从
表 1 可以看出 ,未改性的白麻石粉/橡胶复合材料的断裂伸长
率低 , 拉伸强度较小 。这是因为石粉与天然橡胶在化学结构
表 1　未改性石粉/橡胶材料的拉伸性能
石粉填充量
/份
断裂伸长率
/ %
拉伸强度
/MPa
10 512 10.40
30 497 10.70
50 483 11.47
和物理形态上存在着显著的差异 , 两者的表面性质不同。当
石粉与橡胶两者共混时 , 由于两者之间的相容性和亲和性的
巨大差异 ,因而未改性石粉很难在橡胶中均匀分散 ,进而导致
复合材料的机械性能变差。
利用不同的偶联剂对白麻石粉进行表面改性 , 将改性后
的白麻石粉按不同的添加量填充到天然橡胶中。硫化成型后
测定复合材料的拉伸性能。
表 2—4分别为利用硬脂酸硅烷偶联剂 、Si-69 改性石粉 、
钛酸酯改性石粉后复合材料的拉伸性能变化。 从表 2 与表 3
的对比可以得出 , 随着白麻石粉填充量的增加 , 复合材料的拉
伸强度呈先上升后下降的趋势 , 断裂伸长率逐渐下降 。这是
因为在拉伸过程中 , 由于橡胶与石粉间的界面作用 ,使得部分
应力由聚合物转移至模量更高的无机粒子上。在基体内产生
很多微变形区 , 吸收大量的能量 , 使材料承受外力的能力增
强 ,因而材料的拉伸强度上升。当石粉含量较高时团聚极为
严重 ,成为明显的内部缺陷 , 在外力作用下成为应力集中点 ,
从而造成材料拉伸强度的降低。
表 2　硬脂酸改性石粉/橡胶材料的拉伸性能变化
硬脂酸用量
/ %
石粉填充量
/份
断裂伸长率
/ %
拉伸强度
/MPa
1
10 609 12.86
30 532 15.88
50 550 13.98
5
10 516 16.96
30 540 21.26
50 544 15.33
表 3　Si-69 改性石粉/橡胶材料的拉伸性能变化
Si-69用量
/ %
石粉填充量
/份
断裂伸长率
/ %
拉伸强度
/MPa
1
10 652 12.58
30 565 19.13
50 576 13.77
5
10 632 12.14
30 605 15.68
50 596 14.99
表 4　钛酸酯改性石粉/橡胶材料的拉伸性能变化
钛酸酯用量
/ %
石粉填充量
/份
断裂伸长率
/ %
拉伸强度
/MPa
1
10 671 12.85
30 568 21.02
50 601 16.94
5
10 684 13.29
30 594 19.31
50 656 15.69
在相同填充量的条件下 , 与未改性石粉/橡胶复合材料相
比 ,偶联剂改性后石粉的补强效果明显增强。采用 5.0%的硬
脂酸改性石粉 , 填充量为 30 份时 , 复合材料的性能最佳 , 拉伸
强度达到 21.26MPa。当利用偶联剂改性石粉后 ,偶联剂能通
过化学键力 、极性与极性间亲和力等的综合作用结合到石粉
的表面 ,增加了其与橡胶之间的相容性与亲和力 , 有利于石粉
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第 6 期 王继虎等:废弃白麻石粉/橡胶的力学性能研究
在橡胶中的分散 ,因而能使石粉均匀分布在橡胶基体中 , 提高
复合材料的力学性能。
2.3　与炭黑/橡胶复合材料的性能对比
白麻石粉/橡胶复合材料与炭黑填充的橡胶复合材料性
能进行对比 ,结果见表 5 所示。
表 5　最佳的石粉/橡胶与炭黑/橡胶材料的性能对比
样品名称 断裂伸长率/ %
拉伸强度
/MPa
5%硬脂酸改性
石粉填充量(30份) 540 21.26
炭黑填充量(10份) 665 17.49
炭黑填充量(30份) 554 18.71
炭黑填充量(50份) 574 16.54
从表 5 可以得出 ,采用 5%的硬脂酸改性后的石粉 ,当其
填充量为 30 份时 , 复合材料的拉伸强度为 21.26MPa ,超过了
30 份炭黑补强天然橡胶的效果 , 拉伸强度提高了 14%, 但断
裂伸长率并没有明显的降低。这在一定程度上说明 , 改性后
的白麻石粉可替代炭黑作为天然橡胶的补强剂。
3　结论
采用5%的硬脂酸改性白麻石粉 , 在100 份橡胶中填加 30
份白麻石粉后 ,复合材料的拉伸强度为 21.26MPa , 断裂伸长
率为 540%。该材料的性能达到了利用炭黑填充橡胶的效果 ,
能实现对橡胶中的炭黑替代 , 具有广泛的经济效益和社会
效益。
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收稿日期:2010-10-21
(上接第 126页)
3　结论
采用接枝共聚-共混法 ,制备了乳酸接枝淀粉/聚乳酸复合
材料。实验结果表明 , 淀粉和乳酸进行接枝反应的最佳温度
为 90℃,最佳反应时间为 3h , 在此条件下所得接枝共聚物的
接枝率最高 ,为 31.62%。相对于未经改性的淀粉/聚乳酸复
合材料 ,改性淀粉/聚乳酸复合材料的界面相容性和机械性能
明显改善。
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收稿日期:2011-01-17
修稿日期:2011-03-04
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