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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(bǔ)強(qiáng)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
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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(yàn)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(yùn)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(shí)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(yùn)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(shí)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?yàn)樘亢贜234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。
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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(qiáng)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)。
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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(qiáng),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。
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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。
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從表3可以看出,與未添加炭黑N234的并用膠相比,添加60份炭黑N234的并用膠的不同基團(tuán)特征峰也發(fā)生紅移現(xiàn)象,變化規(guī)律與單一橡膠相同,這說明橡膠特征基團(tuán)紅移程度基本不受并用的影響。
混煉并用膠與硫化并用膠基團(tuán)特征峰紅移程度對比
在并用膠中添加60份炭黑N234,對比混煉并用膠與硫化并用膠基團(tuán)紅外光譜特征峰紅移程度,結(jié)果如表4所示。
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從表4可以看出,與未添加炭黑N234的并用膠相比,添加60份炭黑N234的硫化并用膠的基團(tuán)特征峰紅移規(guī)律與混煉并用膠相同。
結(jié)論
(1)加入炭黑N234后,NR,ESBR,SSBR和BR的紅外光譜特征峰均發(fā)生不同程度的紅移現(xiàn)象,其中NR的特征峰紅移程度最大,說明炭黑N234與NR的作用最強(qiáng)。
(2)隨著炭黑N234用量增大,各橡膠不同基團(tuán)的紅外光譜特征峰紅移程度不同,即不同基團(tuán)與炭黑N234的相互作用不同。
(3)橡膠基團(tuán)紅外光譜特征峰紅移程度基本不受并用的影響。
(4)添加炭黑N234的硫化并用膠的基團(tuán)紅外光譜特征峰紅移規(guī)律與混煉并用膠相同。
這說明紅外光譜能夠在一定程度上反映炭黑與橡膠的相互作用。因此紅外光譜可作為實(shí)驗(yàn)室表征炭黑與橡膠相互作用的一種手段,具有簡單快捷,成本低等優(yōu)點(diǎn)。
另外,在使用衰減全反射(ATR)測量含有炭黑的橡膠時,我們會發(fā)現(xiàn)使用不同的ATR附件得到的譜圖會有所區(qū)別,其譜圖質(zhì)量也各不相同。因此在測量時最好選用合適的ATR附件。
在所有的ATR晶體材料中,Ge的折射率最高,因此它的穿透深度為1µm,適合測量表面信號(在1000cm-1處約為1.9µm,ZnSe晶體則約為6µm),且吸收光譜強(qiáng)度較弱,適合于測定強(qiáng)吸收和折射率高的樣品。因此使用鍺晶體ATR測量黑色橡膠無疑會得到質(zhì)量更好的光譜圖。
(文章來源橡膠技術(shù)網(wǎng))
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