伊利石對天然橡膠有非常優(yōu)異的改性作用

伊利石是一種常見的黏土礦物，從礦物學(xué)意義上講，伊利石系指呈膠體分散狀態(tài)的水白云母，但一般已將伊利石視為水白云母的同義詞，屬于富鉀的硅酸鹽黏土礦物，因最早發(fā)現(xiàn)于美國的伊利諾斯州而得名。其代表性晶體化學(xué)式為：K0.75(Al1.75R2+0.25)(Si3.5Al0.5)O10(OH)2，伊利石呈白色鱗片狀，玻璃光澤，集合體為土狀光澤，硬度1~1.5，比重2.6~2.9。解理平行{001}完全。因其天然粒度細，分散性好，可作塑料、橡膠、造紙、油漆等的填充劑使用。

利用伊利石作為主要原料，經(jīng)過粉碎、表面改性等加工，作為橡膠填料，應(yīng)用于天然橡膠中取代或部分取代昂貴的炭黑，既可降低橡膠的成本，提高其性能，又可充分利用伊利石礦。本研究采用的是福建大田縣伊利石，在當?shù)匾晾V價格低廉，使用價值低，僅用于陶瓷原料燒制日用陶瓷。根據(jù)目前市場情況，伊利石制成橡膠填料后價格約在1000 元/t，大大提高了伊利石的價值，使礦產(chǎn)資源得到了更好的利用，同時也推動了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

實驗原料為福建大田縣伊利石；天然橡膠；鋁鈦復(fù)合偶聯(lián)劑；其它試劑均為市售。

1.2 試驗設(shè)備

振動磨XZM-100；快速研磨機KNM；雙輥筒塑煉機SK-160B；平板硫化機2LB-400×400×2；橡膠硬度計LX-A；拉力試驗機XL-250A；D/MAX-3BX 射線粉晶衍射儀；quanator-200 掃描電鏡。

1.3 伊利石的粉碎與改性

先將伊利石樣品烘干，再在振動磨中振動10min，之后在快速研磨機中研磨20min。將研磨好的樣品在105℃下烘干2h，稱取一定質(zhì)量的伊利石加入到500ml 的三口燒瓶中，加入一定量的鋁鈦復(fù)合偶聯(lián)劑，在一定的溫度下攪拌改性，攪拌轉(zhuǎn)速為1500r/min。通過改變偶聯(lián)劑的加入量、反應(yīng)溫度及改性時間，進行多組實驗。確定最佳改性條件為：改性溫度110℃，改性時間30min，偶聯(lián)劑添加量為1.2%。

1.4 硫化膠的制備

試驗?zāi)z的配方為：天然橡膠，100；硫磺，2.5；促進劑D，1；促進劑M，1.5；氧化鋅，5；硬脂酸，1；防老劑RD，1；防老劑4010NA，1.5；鄰苯二甲酸二丁酯，1.5；填料，50。橡膠填料分別為：活性伊利石、炭黑、輕質(zhì)碳酸鈣、伊利石。硫化膠試樣制備：首先將天然橡膠塑煉至包輥，然后依次加入各種配合劑。在開煉機上混煉均勻后打三角包，繼續(xù)混煉至包輥。取出膠料陳化24h 后，在150℃、15MPa 壓力下硫化制得硫化膠。

1.5 樣品測試

采用D/MAX-3BX 射線粉晶衍射儀對樣品進行收稿日期：2008-11-20 分析。檢測條件：Cu靶，電壓40kV，電流50mA，掃描速度12。/min。化學(xué)成分分析，采用X熒光PANalytical Axios advanced XRF( 荷蘭) 檢測。

硫化膠片拉伸強度測試按GB/T 528-1998，撕裂強度測試按GB/T 529-1991，硬度測試按GB/T 531-1998 進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)組成及物相分析

伊利石的化學(xué)成分采用X 熒光分析。其化學(xué)成分(wt%) 如下：SiO2，63.363；Al2O3，24.845；K2O，3.272；TiO2，0.881；Fe2O3，0.761；MgO，0.544；Na2O，0.300。由此可看出，伊利石成分以SiO2、Al2O3、K2O 為主。

伊利石的物相采用X 射線粉晶衍射進行檢測，見圖1。由圖1 可看出，原礦中含有約30%的伊利石、45% 左右的石英及微量的長石，10% 左右的高嶺石。

圖2 為伊利石的掃描電鏡照片。由圖2 可看出，伊利石的片層狀結(jié)構(gòu)以及夾雜少量的石英顆粒。

混合粉體中片狀的伊利石、高嶺石與粒狀的石英，它們的工藝物理化學(xué)性能具有相似性、互補性，能夠提高填料的堆砌效果，即在以片狀為主的礦物填料中摻入顆粒狀填料，可使薄片之間距離撐開，有利于樹脂充填，使礦物填料達到最佳的增強效果。因此，該種粉體適宜于做填料。

2.2 伊利石的超細粉碎

伊利石超細粉碎后的粒徑分布，見圖3。由圖3 可看出，其粒度分布在0.92~19.5μm，平均粒徑5.06μm，分布比較均勻，這使其在橡膠中的填充有利于減輕對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

2.3 不同填充料對天然橡膠性能的影響

在基本配方的基礎(chǔ)上，添加不同的橡膠填料，填充量為50 份，制備天然橡膠硫化膠，測試其硫化膠性能，結(jié)果見表1。

由表1 可看出，活性伊利石填充體系的拉伸強度為23.0MPa，300% 的定伸應(yīng)力為5.0MPa，均優(yōu)于未改性伊利石、炭黑和輕質(zhì)碳酸鈣填充體系；耐熱空氣老化的效果優(yōu)于炭黑和輕質(zhì)碳酸鈣填充體系；撕裂強度稍低于炭黑和輕質(zhì)碳酸鈣填充體系；拉斷伸長率和硬度變化不大；磨耗減量大于炭黑體系，低于輕質(zhì)碳酸鈣體系。

由上可知，活性伊利石可用于天然橡膠的補強填充，其填充效果優(yōu)于輕鈣，部分性能超過了炭黑。

3 結(jié)論

1. 伊利石的化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、K2O 為主，原礦中含有約30% 的伊利石，45% 左右的石英及微量的長石，10% 左右的高嶺石。

2. 活性伊利石填充體系的拉伸強度為23.0MPa，300% 的定伸應(yīng)力為5.0MPa，均優(yōu)于未改性伊利石、炭黑和輕質(zhì)碳酸鈣填充體系；耐熱空氣老化的效果優(yōu)于炭黑和輕質(zhì)碳酸鈣填充體系；撕裂強度稍低于炭黑和輕質(zhì)碳酸鈣填充體系；拉斷伸長率和硬度變化不大。