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2025 , Vol. 52 >Issue 1: 39 - 47

DOI: https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2025.01.005

材料科学与工程

兼顾高阻尼和高回弹性能的三元乙丙橡胶复合材料的组成、微观结构及性能关系研究

  • 王祺 1 ,
  • 裘吕超 2 ,
  • 周宇通 2 ,
  • 温世鹏 , 1
展开
  • 1. 北京化工大学 北京市先进弹性体工程技术研究中心，北京 100029
  • 2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014
E-mail：

男，1998年生，硕士生

收稿日期: 2024-02-28

  网络出版日期: 2025-01-24

基金资助

国网浙江省电力有限公司科技项目(5211DS22000M)

收起

Study on the relation between composition， microstructure and performance of EPDM composites with high damping and resilience properties

  • Qi WANG 1 ,
  • LvChao QIU 2 ,
  • YuTong ZHOU 2 ,
  • ShiPeng WEN , 1
Expand
  • 1. Beijing Engineering Research Center of Advanced Elastomers，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029
  • 2. State Grid Zhejiang Electric Power Co. ，Ltd. Research Institute，Hangzhou 310014，China

Received date: 2024-02-28

  Online published: 2025-01-24

Fold

摘要

围绕三元乙丙橡胶（EPDM）复合材料阻尼性能和回弹性能难以兼顾的问题，重点研究了丁基橡胶（IIR）、炭黑含量以及炭黑种类等对IIR/EPDM复合材料化学交联网络、炭黑填料网络等微观结构以及各项性能的影响规律。实验结果表明：引入IIR提高了IIR/EPDM橡胶复合材料整体分子链的饱和度以及侧甲基含量，增加了橡胶分子链的缠结程度；同时IIR的加入也提高了IIR/EPDM橡胶复合材料的剪切模量和阻尼性能，但回弹性能有所降低。进一步研究发现，在IIR/EPDM复合材料中减少炭黑含量以及引入大粒径炭黑（N550）后，降低了复合材料中纳米填料网络效应，提高了纳米填料分散度，增强了橡胶分子链活动能力，从而同时提高了IIR/EPDM橡胶复合材料的阻尼和回弹性能。因此，在EPDM橡胶基体中，适当引入IIR（两者的质量比为80∶20），同时复合低含量（45份）大粒径炭黑后，可获得阻尼性能和回弹性俱佳的IIR/EPDM橡胶复合材料。

关键词： 三元乙丙橡胶; 丁基橡胶; 阻尼性能; 回弹性能

本文引用格式

王祺 , 裘吕超 , 周宇通 , 温世鹏 . 兼顾高阻尼和高回弹性能的三元乙丙橡胶复合材料的组成、微观结构及性能关系研究[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）, 2025 , 52(1) : 39 -47 . DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2025.01.005

Abstract

Focusing on the balance between damping performance and resilience of ethylene-propylene-diene monomer （EPDM） rubber composites， this work mainly studied the influence of butyl rubber （IIR）， carbon black （CB） content and CB types on the microstructure including chemical crosslinking and filler network， and properties of IIR/EPDM composites. The results showed that the increase in IIR content increased the molecule saturation degree， and the content of side methyl groups in the IIR/EPDM compound. The degree of entanglement of rubber molecular chains was also increased. IIR also increased the shearing modulus，and damping properties， but lowered the resilience of IIR/EPDM composites. Furthermore， the decrease in CB content and the introduction of CB with larger particle size in IIR/EPDM composites lowered the filler network， increased the filler dispersion of the composites， and the mobilities of rubber molecules， leading to high damping and resilience properties of IIR/EPDM composites. Therefore， when introducing a proper mass ratio of EPDM/butyl rubber （80/20），CB （N550） with large particle size， and less CB content （45 phr） in the EPDM composite， the composites with good damping performance and resilience were obtained.

Key words： EPDM rubber; IIR; damping properties; resilience

引言

三元乙丙橡胶（EPDM）是以乙烯、丙烯及非共轭二烯烃3种单体制成的三元共聚物，其分子主链是饱和的。与其他通用橡胶相比，EPDM具有优异的耐热、耐氧、耐臭氧、耐候、耐老化性能以及良好的耐化学品性、电绝缘性、低温性能［1-2］。因此，很多用于室外环境的橡胶制品常常选择EPDM作为基体。这些室外用橡胶制品除了需要具有优良的耐候性外，还需要具有优良的阻尼性能和高的回弹性，如高压输电线路用的阻尼间隔棒等［3-4］。但是，由于EPDM分子链较为柔顺，缺乏极性基团或者密集侧基等，其阻尼性能往往较差，难以满足阻尼间隔棒的使用需求。因此，基于EPDM通过改变材料组成和设计微观结构来提升EPDM的阻尼性能和回弹性，具有重要的研究意义。
不同橡胶共混可以拓宽阻尼材料的有效阻尼温域，是提高材料阻尼性能的一种常用方法［5-8］。该方法主要是在EPDM基体中引入一些极性分子链，增加体系内的分子链作用力，提高分子链间的黏性作用力，从而提升阻尼性能。卢珣等［9］采用饱和非极性EPDM和不饱和强极性环氧天然橡胶（ENR-50）制备出了EPDM/ENR-50二元共混阻尼材料，得到了温度范围从-72.3 ℃到52.9 ℃（损耗因子tanδ>0.13）的宽温域阻尼材料。Mao等［10］在三元乙丙橡胶中添加了脂肪烃树脂C94和丁腈橡胶（NBR）制得三元共混阻尼材料，研究发现随着NBR含量的上升，-23 ℃时的原始tanδ最大值明显降低，5 ℃时出现另一个新的峰值且不断增大，最终得到了在室温和高温下都有出色阻尼性能的阻尼材料。Lei等［11］将溴化丁基橡胶（BIIR）和NBR共混制得BIIR/NBR复合材料，研究发现随着BIIR含量的增加，材料的有效阻尼温度范围逐渐扩大，阻尼峰值减小。
但需要指出的是，高压输电线路用阻尼材料在要求高阻尼性能的同时，对弹性也有很高的要求。一般在橡胶材料设计中，仅引入黏性成份可以增加阻尼性能，但同时往往会降低橡胶材料的弹性性能。因此，需要同时调节橡胶材料的纳米填料网络，降低纳米填料对橡胶分子链的束缚作用，在提高阻尼性能的同时，也需要提升弹性。王清鑫等［12］在NBR复合材料中填充了不同含量的炭黑，发现炭黑含量的减少有利于材料阻尼性能提升。因此，需要同时从橡胶体系和填料体系同时入手，调节橡胶复合材料的组成和微观结构，有望获得兼顾阻尼性能和回弹性能的橡胶复合材料。
本研究中，为改善EPDM复合材料的阻尼性能，首先在EPDM基体中引入了分子链中具有密集侧甲基的丁基橡胶（IIR），提高分子链间的缠结程度，从而提高阻尼性能。进一步通过调节纳米炭黑（CB）种类以及含量以调节纳米填料网络，减少纳米炭黑粒子对橡胶分子链的束缚，提高橡胶分子链的运动能力，从而达到兼顾提高回弹性的目的。同时充分考察了IIR和CB对EPDM复合材料的交联性能、填料网络，以及动静态力学性能和阻尼性能的影响规律，最终获得阻尼性能和回弹性能兼顾的间隔棒用橡胶复合材料。

1 实验部分

1.1 主要原材料

EPDM，牌号4045，中国石油吉化集团公司；IIR，牌号301，天津骏威新材料有限公司；炭黑N234、N330、N550，河北万博化工科技有限公司；其他原材料为市售品。

1.2 基本配方

实验基础配方见表1。
表1 实验基本配方

Table 1 Basic formula for the experiment

配料 质量份数
不同IIR含量EPDM/IIR 不同炭黑含量EPDM/IIR 不同炭黑种类EPDM/IIR
EPDM/IIR 100/0、0/100、90/10、80/20、70/30、60/20、50/50 80/20 80/20
N234 60 60、55、50、45、40、30
N234/N330/N550 45/0/0、0/45/0、0/0/45
其他组分的用量如下：3份ZnO，1份硬脂酸（SA），1.5份防老剂4020，1份防老剂RD，1.2份促进剂DM，0.8份促进剂D，2份S。

1.3 主要仪器与设备

双辊开炼机，X（S）-160型，湛江橡塑机械厂；密炼机，Rheomix 600p型，哈普电器技术有限公司；橡胶加工分析仪，RPA2000型，美国ALPHA科技有限公司；平板硫化机，XQLB-350-350型，上海橡胶机械制造厂；万能电子拉力机，CTM4104型，深圳新三思实验仪器厂；无转子硫化仪，MR-C3型，北京瑞达宇辰仪器有限公司；硬度计，XY-1型，上海化工机械四厂；动态机械分析仪，VA3000型，法国Metravib公司；橡胶冲击弹性试验机，MZ-4065型，江苏明珠试验机械有限公司。

1.4 样品制备

不同配方EPDM/IIR复合材料的实验基础配方见表1；在配方中，主要设计了不同的EPDM/IIR生胶并用比、不同炭黑含量和不同炭黑种类。试样主要制备过程如下。
混炼胶的制备：（1）将EPDM、IIR放入密炼机塑炼1 min；（2）依次加入活化剂（ZnO、SA）、防老剂（4020、RD）、炭黑（N234/N330/N550），每次加料后密炼1~1.5 min；（3）出胶在开炼机上加入交联体系助剂（促进剂DM、促进剂D、S），混炼均匀后，胶料下辊出片。胶料停放12 h。
硫化胶的制备：将制备得的EPDM、IIR、EPDM/IIR混炼胶在平板硫化机中交联，硫化温度设置为170 ℃，回弹试样硫化时间为t 90+5 min，其余试样硫化时间为t 90+2 min。之后对硫化后的试样进行各种性能的测试与表征。

1.5 测试与分析

1.5.1 静态力学性能测试

采用万能电子拉力机对橡胶复合材料的力学性能进行拉力测试，拉伸速率为500 mm/min；采用硬度计对橡胶复合材料的硬度进行硬度测试。拉伸性能、硬度的测试标准分别为GB/T 528—2009和GB/T 531.1—2008。

1.5.2 硫化性能测试

采用硫化仪对橡胶复合材料的硫化特性进行测试，硫化温度为170 ℃。

1.5.3 回弹性能测试

采用橡胶冲击弹性试验机对橡胶复合材料的回弹性能进行测试，测试标准为GB/T 1681—2009。

1.5.4 填料网络结构性能（RPA）分析

为了表征混炼胶的剪切模量（G ′ ）与应变间的关系，采用橡胶加工分析仪进行测试。测试条件为60 ℃，应变范围0.28%~200%，测试频率为1 Hz。

1.5.5 动态力学性能（DMA）分析

为了表征复合材料的储能模量（E′）、损耗模量（E″）、tanδ与温度之间的关系，采用动态热机械分析仪进行测试。测试条件为-50 ℃~60 ℃，升温速率为3 ℃/min，频率为25 Hz，应变为0.1%。

2 结果与讨论

2.1 IIR对EPDM复合材料的结构与性能的影响

引入了分子链具有密集侧甲基的IIR，与EPDM共混后能够增加橡胶分子链间的缠结程度；同时利用IIR的密集侧甲基提高分子链的内摩擦，从而提升阻尼性能。研究了EPDM、IIR以及不同质量份数比EPDM/IIR（90/10、80/20、70/30、60/40、50/50）复合材料的微观结构、硫化特性、力学性能和阻尼性能，探究IIR对EPDM复合材料微观结构和各项性能的影响规律。

2.1.1 化学交联网络

不同IIR含量对EPDM/IIR复合材料的化学交联网络的影响见表2和图1。随着IIR组分加入量的不断增大，胶料的正硫化时间t 90不断增加，同时转矩差（M H-M L）也不断降低。说明随着IIR的加入，胶料的交联速度变慢，这是因为丁基橡胶的主链含有大量的高饱和基团，导致硫化速度较慢［13］。
表2 不同IIR含量EPDM/IIR复合材料的化学交联特性参数

Table 2 Chemical crosslinking characteristic parameters of EPDM/IIR composites with different IIR contents

配方

t 10/

min

t 90/

min

M L/

（dN·m）

M H/

（dN·m）

 M H-M L/（dN·m）
EPDM 0.89 4.04 1.86 15.50 13.64
IIR 1.22 13.73 2.16 10.25 8.09
90/10 0.94 4.50 1.84 14.16 12.32
80/20 0.90 4.47 1.92 13.01 11.09
70/30 0.91 4.90 1.86 11.84 9.98
60/40 0.92 5.28 1.86 11.45 9.59
50/50 0.94 6.14 1.90 10.92 9.02
图1 EPDM、IIR与不同IIR含量EPDM/IIR复合材料的化学交联特性曲线

Fig.1 Chemical crosslinking characteristic curves of EPDM/IIR composites with different IIR contents

2.1.2 纳米填料网络

在橡胶停放或硫化成型诱导期内，纳米填料倾向于形成填料聚集体以降低其表面能［14］。纳米填料表面及内部会吸附和包裹橡胶，从而形成结合胶，结合胶越多，则橡胶的补强性越高。随着应变的增大，填料网络发生破坏，其破坏重组平衡被打破，填料吸附及包裹的橡胶分子得以释放，混炼胶的剪切模量（G′）降低，这种现象被称为“Payne效应”。图2为EPDM/IIR复合材料混炼胶的剪切模量-应变曲线。在低应变时，混炼胶中的填料网络没有被破坏，随着应变的逐渐增大，EPDM/IIR混炼胶的G′逐渐减小，其中IIR复合材料表现出特别明显的Payne效应，且随着IIR在橡胶复合材料中含量的减少，Payne效应逐渐降低。原因主要是IIR分子链存在着大量的侧甲基，分子链在动态形变下黏度较大，在小形变下剪切变形时受力较大。在EPDM中引入IIR后，复合材料的整体黏度下降，导致动态剪切模量下降。
图2 不同IIR含量EPDM/IIR混炼胶的剪切模量-应变曲线

Fig.2 Shear modulus-strain curves of EPDM/IIR compounds with different IIR contents

2.1.3 静态力学性能

EPDM/IIR复合材料的力学性能见表3和图3。随着IIR组分含量的不断增加，EPDM/IIR复合材料的拉伸强度、100%定伸、300%定伸、硬度和回弹都呈现出下降的趋势，这是因为IIR复合材料的拉伸强度、硬度和回弹性能都低于EPDM复合材料，所以这些性能会随着IIR加入量的增加而逐渐减少。IIR复合材料的断裂伸长率较高，在EPDM中共混IIR后断裂伸长率并没有呈现出一个明显的随添加量而增加的趋势，因此IIR对EPDM/IIR复合材料断裂伸长率的提升贡献有限。
表3 不同IIR含量的EPDM/IIR复合材料的力学性能

Table 3 Mechanical properties of EPDM/IIR composites with different IIR contents

EPDM/IIR比例 拉伸强度/MPa 100%定伸/MPa 300%定伸/MPa 断裂伸长率/%

邵A

硬度

回弹/

%
EPDM 22.5 4.6 16.2 427 76 40
IIR 15.2 1.5 4.2 757 65 11
90/10 21.6 4.1 14.3 451 78 37
80/20 19.2 4.1 14.2 414 78 35
70/30 17.8 3.8 11.6 466 77 31
60/40 16.7 3.4 10.3 486 76 28
50/50 15.4 3.2 9.2 480 76 24
图3 不同IIR含量的EPDM/IIR复合材料的应力-应变曲线

Fig.3 Stress-strain curves of EPDM/IIR composites with different IIR contents

2.1.4 阻尼性能

EPDM/IIR复合材料的阻尼损耗因子随温度变化的曲线见图4。结果显示，EPDM/IIR复合材料呈现出一个损耗峰，表明EPDM和IIR二者相容性好。EPDM复合材料的玻璃化转变温度（T g）在-30 ℃左右，而IIR复合材料的T g在-50 ℃以下且阻尼峰高于EPDM复合材料。随着EPDM/IIR复合材料中IIR组分含量的增加，有效阻尼温域不断拓宽。相比EPDM复合材料，加入IIR也有利于tanδ峰值的增大。因此，IIR的加入可以有效地提升EPDM/IIR复合材料的阻尼性能。
图4 EPDM、IIR与不同IIR含量EPDM/IIR复合材料的阻尼损耗因子随温度变化的曲线

Fig.4 Tanδ-temperature curves of EPDM/IIR composites with different IIR contents

在本部分实验中，研究了不同IIR含量对EPDM/IIR复合材料性能的影响规律，发现IIR组分的加入有利于橡胶复合材料阻尼性能的提升，但加入过量的IIR会明显降低复合材料的回弹性能以及拉伸性能等。因此，为了在满足间隔棒橡胶力学性能要求的前提下尽可能提高其阻尼性能，选择EPDM/IIR比例为80/20的复合材料作为后续研究的基体，进一步通过调节炭黑的含量和种类来调节填料网络从而提升回弹性能。

2.2 不同炭黑含量对EPDM/IIR复合材料结构与性能的影响

主要考察由不同含量的炭黑组成的纳米填料网络形成的网络效应对力学性能、回弹性能和阻尼性能的影响规律，从而优化出合适的纳米炭黑网络。本研究中，主要以EPDM/IIR质量分数比80/20的复合材料为基体，基于纳米炭黑N234（直径为20~60 nm），设计制备了不同炭黑含量（60/55/50/45/40/30）的EPDM/IIR复合材料，对其微观结构、力学性能和阻尼性能进行表征，探究了炭黑含量对EPDM/IIR复合材料各项性能的影响规律。

2.2.1 化学交联网络

不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的化学交联特性见表4和图5。结果表明，随着N234用量的不断减小，EPDM/IIR复合材料胶料的焦烧时间t 10和正硫化时间t 90变化不大，转矩差（M H-M L）不断降低［15］。这是因为炭黑含量减少，炭黑纳米粒子组成的填料网络更弱，对复合材料的增强作用减弱。
表4 不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的化学交联特性参数

Table 4 Chemical crosslinking characteristic parameters of EPDM/IIR composites with different carbon black contents

配方

t 10/

min

t 90/

min

M L/

（dN·m）

M H/

（dN·m）

 M H-M L/（dN·m）
60phr 0.88 4.52 2.13 13.47 11.34
55phr 0.94 4.52 1.84 12.79 10.95
50phr 0.96 4.55 1.65 12.06 10.41
45phr 0.97 4.48 1.40 11.66 10.26
40phr 0.95 4.38 1.15 10.18 9.03
30phr 0.98 4.62 0.80 8.27 7.47

phr为每百克基料的添加剂克数。

图5 不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的化学交联特性曲线

Fig.5 Chemical crosslinking characteristic curves of EPDM/IIR composites with different carbon black contents

2.2.2 纳米填料网络

不同炭黑含量EPDM/IIR混炼胶的剪切模量-应变曲线见图6。结果显示，炭黑含量越少，在低应变时的剪切模量越小，混炼胶的Payne效应也越小，填料分散性更好；在高应变时，不同炭黑含量混炼胶的剪切模量越来越趋近。原因可能是当炭黑含量越高时，填料表面吸附和填料聚集所包裹的橡胶分子越多，结合胶越多补强性更好，因而剪切模量更高。当应变增加时，填料网络被破坏，剪切模量不断降低。
图6 不同炭黑含量EPDM/IIR混炼胶的剪切模量-应变曲线

Fig.6 Shear modulus-strain curves of EPDM/IIR compounds with different carbon black contents

2.2.3 静态力学性能

不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的力学性能见表5和图7。结果显示，随着炭黑N234含量的不断增加，复合材料的拉伸强度、100%定伸、300%定伸和硬度都呈现出增加的趋势，这是因为随着炭黑用量的增加，炭黑纳米粒子组成的填料网络效应越来越强，可以均匀承担更大的应力，因此，体现出对复合材料的补强作用逐渐增加［16-18］，而胶料的断裂伸长率和回弹值随着炭黑用量的增加逐渐减少，主要是因为纳米炭黑网络的形成限制了更多分子链的滑移和伸长。
表5 不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的力学性能

Table 5 Mechanical properties of EPDM/IIR composites with different carbon black contents

配方 拉伸强度/MPa 100%定伸/MPa 300%定伸/MPa 断裂伸长率/% 邵A硬度

回弹/

%
60phr 22.4 4.8 18.2 391 77 34
55phr 21.5 4.3 15.3 449 75 34
50phr 21.6 3.9 13.8 443 74 34
45phr 21.4 3.4 11.9 464 72 35
40phr 20.8 3 10.5 474 68 37
30phr 19.7 2.3 7.8 502 61 42

phr为每百克基料的添加剂克数。

图7 不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的应力-应变曲线

Fig.7 Stress-strain curves of EPDM/IIR composites with different carbon black contents

更为重要的是，随着炭黑含量的减少，EPDM/IIR复合材料的回弹性逐渐增加。主要原因是随着炭黑网络效应的降低，被炭黑网络束缚的橡胶分子链的比例也在下降，从而体现出橡胶基体本身的高弹性。

2.2.4 阻尼性能

不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的阻尼损耗因子随温度变化的曲线见图8。结果显示，随着炭黑含量的减少，EPDM/IIR复合材料的最大阻尼因子逐渐增大，且有效阻尼温域越宽。原因可能是炭黑含量越多时，橡胶分子和炭黑之间相互作用形成的结合胶越多，自由的橡胶大分子也就越少。在交变应力的作用下，可以运动的链段越少，摩擦损耗减少，从而造成了最大损耗峰随炭黑含量减少而增大的现象。
图8 不同炭黑含量EPDM/IIR复合材料的阻尼损耗因子随温度变化的曲线

Fig.8 Tanδ-temperature curves of EPDM/IIR composites with different carbon black contents

需要注意的是，尽管降低炭黑的含量，EPDM/IIR复合材料的阻尼性能和回弹性均可以得到同步提升，但是其力学强度下降也较多。因此，在保证橡胶复合材料的基础力学强度的前提下，后续研究中选择炭黑的用量为45份。

2.3 不同炭黑种类对EPDM/IIR复合材料结构与性能的影响

为了进一步同时提升阻尼性能和回弹性能，本部分将改变炭黑种类，调节炭黑粒子对橡胶分子链的限制能力，从而提升性能。本研究中，主要在EPDM/IIR质量比为80/20的基础上，固定炭黑用量为45份，选用不同粒径的N234、N330、N550，其中粒径大小为N550＞N330＞N234。研究了不同炭黑种类对EPDM/IIR复合材料化学交联性能、微观结构、力学性能和阻尼性能的影响规律，从而得到最佳的阻尼性能和回弹性能。

2.3.1 化学交联网络

不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料的化学交联特性见表6和图9。结果显示，改变炭黑种类，随着炭黑粒径的增加（N234<N330<N550），硫化胶的转矩差减小。原因可能是炭黑粒径增大之后，比表面积更小，与橡胶分子的接触面积越小，形成的结合胶更少，对橡胶的增强作用减小，硫化胶强度下降［19］。同时，焦烧时间变短，正硫化时间延长。
表6 不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料的化学交联特性参数

Table 6 Chemical crosslinking characteristic parameters of EPDM/IIR composites of different carbon black types

配方

t 10/

min

t 90/

min

M L/

（dN·m）

M H/

（dN·m）

 M H-M L/（dN·m）
N234 0.92 4.29 1.16 9.76 8.60
N330 0.95 5.18 0.95 8.70 7.75
N550 0.87 5.82 0.79 7.94 7.15
图9 不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料的化学交联特性曲线

Fig.9 Chemical crosslinking characteristic curves of EPDM/IIR composites with different carbon black types

2.3.2 纳米填料网络

不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料混炼胶的储能模量-应变曲线见图10。结果表明，炭黑粒径越大，在低应变时的剪切模量越小，混炼胶的Payne效应也越小，填料分散性更好；在高应变时，不同炭黑种类混炼胶的剪切模量越来越趋近。原因可能是当炭黑粒径越小时，比表面积越大，物理结合位点更多，填料表面吸附和填料聚集所包裹的橡胶分子越多，结合胶越多补强性更好，因而剪切模量更高。当应变增加时，填料网络被破坏，剪切模量不断降低。
图10 不同炭黑种类EPDM/IIR混炼胶的剪切模量-应变曲线

Fig.10 Shear modulus-strain curves of EPDM/IIR compounds with different carbon black types

2.3.3 静态力学性能

不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料的力学性能见表7和图11。结果显示，加入粒径更大的N330、N550之后，尽管定伸强度和拉伸强度有所下降，但复合材料的回弹性能出现了明显的提升。这是因为大粒径CB对橡胶分子链的吸附能力下降［20-21］。在获得完善的交联网络的前提下，可自由活动的分子链越多，其回弹性能更好。
表7 不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料的力学性能

Table 7 Mechanical properties of EPDM/IIR composites with different carbon black types

配方 拉伸强度/MPa 100%定伸/MPa 300%定伸/MPa 断裂伸长率/% 邵A硬度

回弹/

%
N234 21.9 2.8 11.1 490 68 35
N330 16.2 2.8 9.5 435 68 36
N550 14.7 2.9 9 438 65 44
图11 不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料的应力-应变曲线

Fig.11 Stress-strain curves of EPDM/IIR composites with different carbon black types

2.3.4 阻尼性能

不同粒径炭黑增强的EPDM/IIR复合材料的阻尼损耗因子随温度变化的曲线见图12。结果表明，随着炭黑粒径的增大，EPDM/IIR复合材料的最大阻尼因子逐渐增大，且有效阻尼温域越宽。原因可能是炭黑粒径越大时，比表面积小，物理结合位点更少，橡胶分子和炭黑之间相互作用形成的结合胶越少，导致自由的橡胶大分子也就越多。在交变应力的作用下，可以运动的链段越多，从而橡胶分子链与填料体系之间的摩擦损耗增加。因此，N550炭黑增强的EPDM/IIR复合材料的阻尼性能更好。
图12 不同炭黑种类EPDM/IIR复合材料的阻尼损耗因子随温度变化的曲线

Fig.12 Tanδ-temperature curves of EPDM/IIR composites with different carbon black types

3 结论

为了同时改善EPDM复合材料的阻尼性能和回弹性能，研究了IIR含量、炭黑含量以及炭黑种类对复合材料微观结构、化学交联网络、力学性能、阻尼性能等的影响规律。结果表明，丁基橡胶含量的增加使得复合材料混炼胶饱和度升高且具有更多的侧甲基，增加了体系的分子链缠结程度，混炼胶在低应变动态形变下黏度高，有更高的储能模量。尽管IIR含量的增加会提高复合材料的阻尼性能，但降低了回弹性。纳米炭黑含量的减少以及使用粒径更大的炭黑均减少了填料相互聚集或吸附分子链形成的填料网络，从而增加了可自由活动的橡胶分子链的含量，同时增加了EPDM/IIR复合材料的回弹性能和阻尼性能。因此，确定三元乙丙橡胶/丁基橡胶质量比为80/20，选用N550牌号炭黑，添加45质量份数炭黑时，可获得阻尼性能和回弹性俱佳的橡胶复合材料。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
TU J Y， SHI X H， JING Y R， et al. Relationships of tensile strength with crosslink density for the high-carbon black⁃filled EPDM compounds with various softeners［J］. Polymer Engineering & Science， 2021， 61（8）： 2213-2221.

2
XIONG C T， LI X Q， HE H Z， et al. A thermally reversible healing EPDM based elastomer with higher tensile properties and damping properties［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2021， 138（5）： 49767.

3
徐鹏， 何红， 杜继红. 三元乙丙橡胶/氯化聚乙烯并用胶在输电线路阻尼间隔棒中的应用［J］. 橡胶工业， 2018， 65（8）： 906-909.

XU P， HE H， DU J H. Application of EPDM/chlorinated polyethylene blend in spacer damper of transmission lines［J］. China Rubber Industry， 2018， 65（8）： 906-909. （in Chinese）

4
刘春城， 王冬， 侯萌， 等. 一种抑制输电线路次档距振荡的新型阻尼间隔棒及其减振效果分析［J］. 中国电机工程学报， 2023， 43（6）： 2295-2306.

LIU C C， WANG D， HOU M， et al. A new type damping spacer to reduce sub⁃span oscillation of transmission line and its vibration reduction analysis［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（6）： 2295-2306. （in Chinese）

5
CHEN B W， DAI J W， SONG T S， et al. Research and development of high⁃performance high⁃damping rubber materials for high⁃damping rubber isolation bearings： a review［J］. Polymers， 2022， 14（12）： 2427.

6
汤琦， 郎秀瑞， 韩立静， 等. 动态硫化丁基橡胶/聚丙烯热塑性硫化胶的相态结构演变及阻尼性能［J］. 高分子材料科学与工程， 2020， 36（11）： 93-100.

TANG Q， LANG X R， HAN L J， et al. Morphology structure evolution and damping properties of dynamic vulcanized butyl rubber/polypropylene thermoplastic vulcanized［J］. Polymer Materials Science & Engineering， 2020， 36（11）： 93-100. （in Chinese）

7
LIU C， FAN J F， CHEN Y K. Design of regulable chlorobutyl rubber damping materials with high⁃damping value for a wide temperature range［J］. Polymer Testing， 2019， 79： 106003.

8
FANG L， CHEN T Q， LI X， et al. Wide⁃temperature range damping polyurea⁃urethane blends with self⁃healing capability［J］. Construction and Building Materials， 2020， 262： 119991.

9
黄瑞丽， 卢珣， 龙娟， 等. EPDM/ENR宽温域阻尼材料的制备及阻尼机理［J］. 高分子材料科学与工程， 2016， 32（10）： 119-124.

HUANG R L， LU X， LONG J， et al. Preparation and damping mechanism of EPDM / ENR damping material with wide temperature range［J］. Polymer Materials Science & Engineering， 2016， 32（10）： 119-124. （in Chinese）

10
MAO X D， XU S A， WU C F. Dynamic mechanical properties of EPDM rubber blends［J］. Polymer⁃Plastics Technology and Engineering， 2008， 47（2）： 209-214.

11
LEI T， ZHANG Y W， KUANG D L， et al. Preparation and properties of rubber blends for high⁃damping⁃isolation bearings［J］. Polymers， 2019， 11（8）： 1374.

12
王清鑫， 李帅杰， 李瑜， 等. 硫磺和炭黑用量对丁腈橡胶性能的影响［J］. 弹性体， 2022， 32（5）： 49-55.

WANG Q X， LI S J， LI Y， et al. Effect of sulfur and carbon black on properties of NBR［J］. China Elastomerics， 2022， 32（5）： 49-55. （in Chinese）

13
杜明欣， 邢文芳， 刘学通， 等. 丁基橡胶疲劳性能的影响因素及研究进展［J］. 高分子通报， 2023， 36（2）： 183-190.

DU M X， XING W F， LIU X T， et al. Influencing factors and research progress on fatigue properties of butyl rubber［J］. Polymer Bulletin， 2023， 36（2）： 183-190. （in Chinese）

14
STOCKELHUBER K W， SVISTKOV A S， PELEVIN A G， et al. Impact of filler surface modification on large scale mechanics of styrene butadiene/silica rubber composites［J］. Macromolecules， 2011， 44（11）： 4366-4381.

15
LUBURA J， KOJIĆ P， IKONIĆ B， et al. Influence of biochar and carbon black on natural rubber mixture properties［J］. Polymer International， 2022， 71（11）： 1347-1353.

16
ISMAIL H， OMAR N F， OTHMAN N. Effect of carbon black loading on curing characteristics and mechanical properties of waste tyre dust/carbon black hybrid filler filled natural rubber compounds［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2011， 121（2）： 1143-1150.

17
LI Y， ZHU P X， ZHANG Q， et al. Study on the properties of rubber with different contents of carbon black［J］.IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2019， 667（2）： 22043.

18
CHOI S S， PARK B H， SONG H J. Influence of filler type and content on properties of styrene⁃butadiene rubber （SBR） compound reinforced with carbon black or silica［J］. Polymers for Advanced Technologies， 2004， 15（3）： 122-127.

19
MANOJ K C， KUMARI P， UNNIKRISHNAN G. Cure characteristics， swelling behaviors， and mechanical properties of carbon black filler reinforced EPDM/NBR blend system［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2011， 120（5）： 2654-2662.

20
曾令子， 吴力立， 熊经雄. 不同粒径炭黑对宽温域高阻尼橡胶材料阻尼和力学性能的影响［J］. 合成橡胶工业， 2014， 37（2）： 135-138.

ZENG L Z， WU L L， XIONG J X. Effect of different sizes of carbon black on damping and mechanical properties of high damping rubber blend with wide temperature range［J］. China Synthetic Rubber Industry， 2014， 37（2）： 135-138. （in Chinese）

21
SAVETLANA S， SUKMANA I， SAPUTRA F A. The effect of carbon black loading and structure on tensile property of natural rubber composite［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2017， 223（1）： 12009.

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