关于树脂行为的新见解：树脂软化点对炭黑填充SBR化合物在橡胶中性能的影响

《Polymer Testing》：New insights into Resins behavior: Influence of Resin Softening Point on In-Rubber Properties of Carbon Black-Filled SBR Compounds

本研究通过对比不同软化点（10-160°C）的羟基弁喃树脂对SBR炭黑填充胶的力学、动态和加工性能影响，揭示了树脂SP对硫化行为、微观分散和热力学响应的关键作用。实验表明，低SP树脂（<30°C）作为增塑剂降低粘度但降低拉伸强度，而高SP树脂（>80°C）则强化体系，表现为硬度、拉伸强度和Payne效应的显著提升。温度超过SP时，树脂软化促进分散，机械性能改善。研究证实SP与操作温度是优化轮胎材料性能的核心参数。

　　### 研究背景与意义

随着全球对高性能和可持续材料需求的不断增长，橡胶行业正面临着材料创新的迫切需求。传统的橡胶配方中，芳香油被广泛用作塑化剂，以降低橡胶的粘度、改善加工性能，并增强其物理特性。然而，近年来，由于环保法规的收紧，以及对轮胎性能（如湿抓力）的更高要求，芳香油的使用受到了限制。因此，寻找可替代传统芳香油的新型材料成为研究热点。其中，树脂作为一种多功能添加剂，因其独特的物理和化学性质，在橡胶配方中展现出了巨大的潜力。树脂不仅可以作为塑化剂，还能起到增强剂的作用，从而提升橡胶的机械性能和动态特性。

本研究聚焦于一种关键的树脂属性——软化点（Softening Point, SP）。软化点是指树脂在特定载荷下开始变形并表现出更柔性或粘性状态的温度。由于树脂是无定形材料，其软化过程并非像晶体材料那样具有明确的熔点，而是呈现一个软化范围。软化点与橡胶的性能密切相关，特别是在加工过程中，它影响树脂的分散性、可塑性和与其他材料的相容性。通过系统研究不同软化点的树脂对碳黑填充橡胶复合材料性能的影响，本研究旨在为未来轮胎配方的优化提供理论依据和实践指导。

### 材料与方法

本研究采用五种具有相同化学基础但软化点不同的碳基茚酮树脂（Indene-Coumarone Resins）作为实验材料，分别命名为YT C 10、YT C 30、YT C 80、YT C 120和YT C 160。这些树脂的软化点范围从10°C到160°C，且它们的化学结构基本一致，仅在软化点上存在差异。实验中，将这些树脂完全替代传统的芳香油（TDAE油），用于制备碳黑填充的苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）复合材料。为了确保实验结果的可比性，研究选择了SBR作为基材，并使用碳黑作为填充剂，避免了其他可能影响树脂行为的成分干扰。

为了全面评估树脂对复合材料性能的影响，实验采用了多种测试方法。首先，通过Mooney粘度测试，评估树脂对复合材料加工性能的影响。Mooney粘度（ML(1 + 4)，100°C）的测定可以反映橡胶的流动性，是评估树脂作为塑化剂或增强剂的重要指标。其次，使用橡胶加工分析仪（RPA Elite）研究树脂对硫化行为的影响，包括硫化时间（t90）和最大扭矩（MH）。此外，通过温度扫描应力松弛（TSSR）实验，评估树脂对交联密度的影响，进而推断其对橡胶结构和性能的作用。同时，研究还采用了Payne效应测试，以分析树脂对填充剂分散性和填充剂-橡胶相互作用的影响。最后，利用动态机械分析（DMA）和原子力显微镜（AFM）进一步研究树脂对橡胶复合材料动态性能和微观结构的影响。

### 实验结果与分析

#### Mooney粘度与硫化行为

实验结果显示，随着树脂软化点的增加，Mooney粘度显著上升。例如，YT C 10和YT C 30（低软化点树脂）表现出与TDAE油相似的粘度特性，表明它们在加工过程中可能更接近传统塑化剂的行为。然而，YT C 80、YT C 120和YT C 160（高软化点树脂）的粘度明显更高，说明它们在复合材料中可能表现出更强的增强特性。此外，硫化时间（t90）与树脂的软化点之间存在线性关系，软化点越高，硫化所需时间越长。这表明高软化点树脂在硫化过程中可能形成更复杂的网络结构，从而延缓交联反应。

#### Payne效应

Payne效应是评估填充剂分散性和填充剂-橡胶相互作用的重要指标。实验发现，低软化点树脂（如YT C 10和YT C 30）在低温下（60°C）表现出显著的Payne效应，说明其在复合材料中可能以液态形式存在，从而限制了填充剂的分散性。然而，当测试温度超过树脂的软化点后，Payne效应明显降低，表明树脂在高温下转变为液态，从而改善了填充剂的分散性并减少了填充剂-填充剂之间的相互作用。这一现象进一步支持了高软化点树脂可能在复合材料中起到增强剂作用的观点。

#### 原子力显微镜（AFM）分析

通过AFM分析，研究人员观察到不同软化点树脂对填充剂（碳黑）分散性的影响。结果显示，低软化点树脂（YT C 10）在室温下能够与橡胶基材良好分散，形成均匀的复合结构。相比之下，高软化点树脂（如YT C 80和YT C 160）在室温下呈现为固态颗粒，导致填充剂在树脂颗粒周围形成聚集，从而影响复合材料的性能。然而，当测试温度超过树脂的软化点后，这些固态树脂逐渐转变为液态，改善了填充剂的分散性，并促进了填充剂与橡胶基材之间的相互作用。

#### 交联密度与动态性能

TSSR实验进一步揭示了树脂对交联密度的影响。结果显示，低软化点树脂（如YT C 10）对交联密度的抑制作用较强，而高软化点树脂（如YT C 160）则表现出与TDAE油相似的交联密度，表明其在复合材料中可能起到了类似增强剂的作用。此外，动态机械分析（DMA）显示，随着树脂软化点的增加，橡胶的玻璃化转变温度（Tg）也相应升高，说明树脂的加入可能改变了橡胶的分子运动特性。高软化点树脂表现出更高的存储模量（E'）和更低的损耗模量（E''），这表明它们在高温下能够更好地与橡胶基材结合，从而增强复合材料的力学性能。

#### 机械性能

机械性能测试（拉伸试验）表明，高软化点树脂（如YT C 160）能够显著提高复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，而低软化点树脂（如YT C 10）则表现出较差的机械性能。这一结果可能与树脂的分散状态有关：高软化点树脂在复合材料中形成固态结构，增强了橡胶的刚性和强度，而低软化点树脂则更倾向于保持液态，从而降低复合材料的机械性能。此外，热处理后的机械性能测试进一步证实了这一趋势。对于高软化点树脂，热处理后其机械性能得到明显提升，而低软化点树脂的性能改善则更为显著，这可能与树脂在高温下的化学反应有关。

### 结论与展望

综上所述，树脂的软化点对橡胶复合材料的性能具有显著影响。低软化点树脂在室温下主要起到塑化剂的作用，降低粘度并改善加工性能，但其机械性能相对较弱。而高软化点树脂则表现出更强的增强特性，通过形成固态结构，提高复合材料的硬度、拉伸强度和动态性能。此外，温度是调控树脂行为的重要参数，当测试温度超过树脂的软化点后，其塑化作用增强，机械性能也相应改善。因此，选择合适的树脂软化点，并结合实际应用的温度条件，是优化橡胶复合材料性能的关键。

本研究的结果为未来的轮胎配方设计提供了重要参考。通过调整树脂的软化点，可以实现对复合材料性能的精准控制，从而满足不同应用场景下的需求。例如，在需要较高湿抓力和耐磨性的高性能轮胎中，可以选择高软化点树脂作为增强剂；而在要求良好加工性能和较低粘度的轮胎配方中，则可以采用低软化点树脂。此外，研究还表明，树脂的化学结构对其在复合材料中的行为具有重要影响，未来的研究可以进一步探索不同化学结构的树脂对橡胶性能的影响，以开发更加高效的复合材料配方。

### 实验设计与参数选择

为了确保实验的可比性和准确性，研究团队在实验设计中采用了严格的控制措施。首先，所有树脂均具有相同的化学基础，仅在软化点上存在差异，从而排除了化学结构对实验结果的干扰。其次，实验中使用的橡胶基材和填充剂（碳黑）均为固定成分，以确保不同树脂之间的性能差异主要来源于其软化点的不同。此外，实验过程中使用的其他添加剂（如氧化锌、硬脂酸、硫和TBBS）也保持一致，以避免其他因素对树脂行为的影响。

在实验过程中，研究人员采用了多种测试方法，以全面评估树脂对复合材料性能的影响。例如，Mooney粘度测试用于评估树脂对加工性能的影响，而Payne效应测试则用于分析填充剂的分散性和相互作用。AFM分析提供了树脂在复合材料中的微观分布信息，TSSR实验则用于评估交联密度，DMA测试则用于研究复合材料的动态性能。这些测试方法的综合应用，使得研究人员能够从多个角度理解树脂在橡胶复合材料中的作用机制。

### 未来研究方向

尽管本研究已经揭示了树脂软化点对橡胶复合材料性能的影响，但仍有许多值得进一步探索的问题。例如，树脂的化学结构如何具体影响其在复合材料中的行为？不同类型的树脂（如天然树脂与合成树脂）是否具有不同的性能表现？此外，树脂的加入量、加工温度、硫化时间等因素是否对复合材料的性能产生影响？这些问题的答案将有助于进一步优化树脂在橡胶复合材料中的应用。

此外，随着环保法规的日益严格，开发更加可持续的树脂材料成为研究的重要方向。未来的研究可以探索生物基树脂或其他环保型树脂在橡胶复合材料中的应用，以减少对传统石油基材料的依赖。同时，结合先进的表征技术（如原位表征、分子动力学模拟等），可以更深入地理解树脂在复合材料中的行为机制，从而指导新型树脂材料的开发。

### 总结

本研究通过系统分析不同软化点树脂对碳黑填充SBR复合材料性能的影响，揭示了树脂在橡胶配方中的关键作用。研究结果表明，树脂的软化点是调控复合材料性能的重要参数，而温度则是影响树脂行为的重要外部因素。通过合理选择树脂的软化点和加工温度，可以实现对复合材料性能的精准控制，从而满足不同应用场景的需求。未来的研究可以进一步探索树脂的化学结构、加工条件以及环保型树脂的应用，以推动橡胶行业的可持续发展。