一種快速檢測方法來表征炭黑對橡膠的影響

2023-02-23

在橡膠中加入填料可以改善膠料的加工性能，提高成品性能，延長成品使用壽命，降低生產(chǎn)成本。炭黑是橡膠工業(yè)的主要補強劑，其通過與橡膠形成結(jié)合膠來提高膠料的物理性能。

現(xiàn)在表征炭黑與橡膠相互作用的測試方法有結(jié)合膠法、溶脹指數(shù)法、核磁共振光譜法等，而這些方法測試時間較長，無法第一時間得到結(jié)果，因此需要一種快速檢測方法來表征炭黑對橡膠的影響。

利用紅外光譜可以研究天然橡膠（NR）、順丁橡膠（BR）、丁苯橡膠（SBR）、丁腈橡膠（NBR）與表征炭黑對這些橡膠的影響。

樣品制作&測量

將不同用量炭黑N234與橡膠制成混煉膠和硫化膠試樣系列（如表1所示）。

NR，BR，溶聚SBR（SSBR）、乳聚SBR（ESBR）和炭黑N234均為市售產(chǎn)品。使用INVENIO（德國BRUKER）型紅外光譜儀。測量參數(shù)：每個試樣重復(fù)測試2次，試驗條件為：分辨率　4cm-1，掃描次數(shù)32，波數(shù)范圍650～4000cm-1，掃描模式衰減全反射模式。

紅外光譜的紅移與藍(lán)移

紅外光譜在表征黑色橡膠時，常常伴有紅移現(xiàn)象的發(fā)生，因此在說明炭黑對橡膠紅外光譜的影響前，需要了解什么是紅外光譜的紅移現(xiàn)象。

根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)光源和接收光線的物體有相對運動，而且遠(yuǎn)離接收光線的物體時，物體收到的光線的頻率比實際光線的頻率要短，由于紅光的頻率比藍(lán)光短，所以光源發(fā)出的光線在光譜上會向紅光的方向偏移，稱為紅移。當(dāng)光源和接收光線的物體有相對運動，而且光源靠近接收光線的物體時，物體收到的光線的頻率比實際光線的頻率要長，由于紅光的頻率比藍(lán)短，光源發(fā)出的光線在光譜上會向藍(lán)光的方向偏移，稱為藍(lán)移。

紅外光譜中，紅移是指峰向低頻（波數(shù)）移動；藍(lán)移指峰向高頻（波數(shù)）移動。

炭黑N234用量對橡膠紅外光譜的影響

NR/炭黑N234混煉膠的紅外光譜如圖1所示。從圖1可以看出，隨著炭黑N234用量增大，橡膠基團(tuán)特征峰發(fā)生紅移現(xiàn)象，譜線向上漂移程度增大。這是因為炭黑N234中含有吸附電子的大π鍵，炭黑N234用量增大導(dǎo)致橡膠基團(tuán)的電子云密度降低，鍵力常數(shù)減小，特征峰發(fā)生紅移。

從圖2可以看出，在4種混煉膠系列中，NR/炭黑N234混煉膠紅外光譜的亞甲基特征峰波數(shù)紅移程度最大。這可能是炭黑N234與NR的物理作用強導(dǎo)致的，即炭黑N234與富電子分子鏈親和力大，一方面炭黑N234極性基團(tuán)與NR分子鏈電子云作用，容易發(fā)生極化；另一方面NR分子鏈電子云與炭黑N234的大π鍵體系容易發(fā)生共軛效應(yīng)。

從圖2還可以看出，隨著炭黑N234用量增大，各混煉膠亞甲基特征峰波數(shù)紅移程度逐漸增大并趨于平穩(wěn)。這說明隨著炭黑N234用量增大，橡膠與炭黑N234之間的作用力增強，炭黑N234用量達(dá)到一定值時體系狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

炭黑N234對橡膠不同基團(tuán)特征峰紅移的影響

添加70份炭黑N234的橡膠不同基團(tuán)紅外光譜特征峰變化如表2所示。

從表2可以看出：與未添加炭黑N234的橡膠相比，添加70份炭黑N234的橡膠不同基團(tuán)特征峰紅移程度不同，NR的亞甲基特征峰紅移程度大于SSBR，ESBR和BR；SSBR和ESBR基團(tuán)特征峰紅移程度基本相同；BR的順式結(jié)構(gòu)基團(tuán)特征峰紅移程度較大。不同基團(tuán)特征峰紅移程度的差異說明同一種橡膠的不同基團(tuán)與炭黑的相互作用不同。

添加炭黑N234對并用膠不同基團(tuán)特征峰紅移的影響

在并用膠中添加60份炭黑N234，并用膠不同基團(tuán)紅外光譜特征峰變化如表3所示。