① 陳新中 ①孟巧玲 ②陳嘉璇(① 東耐斯特炭黑有限公司，②山東濰坊學院)
一. 前言
無機炭黑是以優質電廠粉煤灰為基礎材料、以改性高分子材料為成核劑并通過堿性偶聯劑、酸性偶聯劑、復合偶聯劑對微珠進行表面改性、微細化處理、離子分離、表面修飾、噴霧干燥處理等多種工藝復合而成的半合成、微納米級硅鋁氧化物粉末狀材料或干法造粒的小顆粒材料。無機炭黑呈多孔蜂窩狀圓球體結構，粒徑則一般在 0.05-2μm 之間。其表面相對光滑的部分有孔狀結構，微珠的內部充滿了一些體積更小的珠體，形成了其多孔結構，且里面充滿了二氧化碳和氮氣。這樣的多孔結構使得無機炭黑的比表面積很大，具有很好的吸附性能，吸附活性很高。橡膠分子鏈能夠插入其中，形成十分牢固的結合，從而提高橡膠的強度。為了驗證無機炭黑的性能，本文以實驗的方法研究,分析無機炭黑對橡膠性能的影響,以驗證無機炭黑的使用前景及價值。
二. 實驗
實驗以橡膠標準配方作為依據，通過對比N660、N339、N134及無機炭黑的膠料拉伸強度、扯斷伸長率、100%定伸應力、300%定伸應力和DIN磨耗數據，分析無機炭黑與炭黑之間對橡膠性能的影響，同時通過無機炭黑份量的變化研究其趨勢。表一為設計的無機炭黑及炭黑配方試驗方案
一. 實驗結果討論
1. 無機炭黑的分析數據
為了了解無機炭黑的粒徑及結構，我們按照炭黑的分析方法對表征炭黑性能的幾個指標進行了分析，分析結果如表2.
通過以上數據的分析表明：無機炭黑的粒徑太大，無法通過45μm篩余，其表面積太小，無法用吸碘值進行表征，無機炭黑中含有46.9%的氧，在9500C高溫下會與其成份中的鋁等化合，導致其灰份長虹高，甚至超過100%，灰份指標將嚴重影響橡膠的老化性能。
2.無機炭黑填充膠料替代N660炭黑的實驗結果討論
由上表可以看出：加入同等的N660和無機炭黑配方中，加入N660炭黑的膠料100%定伸應力是加入無機炭黑的3倍多，300%定伸應力相差約5倍;拉伸強度加入N660炭黑的膠料也明顯高于無機炭黑的膠料，膠料硬度方面，加入無機炭黑后明顯提升，不是生產廠家所說降低膠料的比重;特別表現在耐磨性上，從DIN磨耗指數上分析，加入N660炭黑的磨耗指數是加入無機炭黑膠料的122.8%，無法替代N660炭黑在膠料中直接應用。
改變無機炭黑的添加量，減少無機炭黑，增加N660炭黑進行膠料實驗對比，其結果如表4.
由上表可以看出：在配方中添加80份無機炭黑替代50份N660炭黑時，雖然膠料硬度相當，但其100%定伸應力和300%定伸應力仍相差40%左右，拉伸強度相差3.5Mpa，磨耗指數相差15%，繼續減少無機炭黑添加量，增加炭黑添加量時，膠料硬度硬度上升，但拉伸強度下降，100%定伸和300%定伸均出現上升，耐磨性提高，磨耗指數增加。表明無機炭黑的補強性能較差，耐磨性差。
3. 無機炭黑替代N339應用于標準膠料配方中性能影響
為了研究無機炭黑填充膠料的耐磨性能，我們與其N339炭黑的膠料性能進行對比，同時采用全部替代和部分替代N339炭黑進行對比實驗，其結果如表5
由上表可以得出如下結論：
Ⅰ.標準配方中用100gN339炭黑+100g無機炭黑替代150gN339炭黑，腦炎料的100%定伸應力和300%定伸應力均下降約30%，拉伸強度下降約23%，膠料比重增加6.4%，膠料硬度降低2.5度，DIN磨耗指數下降27.22%，表明無機炭黑的補強性能差，分散性能也比較差。
Ⅱ.標準配方中用200g無機炭黑替代150gN339炭黑，膠料的100%定伸應力和300%定伸應力僅只有1/3，下降了約70%，拉伸強度下降了1/4，膠料硬度下降了16度，但膠料的比重增加了9%，DIN磨耗指數下降了50%，下降比例為36%。
4、無機炭黑替代N134炭黑，應用于標準配方中對膠料性能影響
為了研究無機炭黑在胎面膠中性能，我們使用標準配方進行比較，以公司開發的N134炭黑進行對比實驗，研究定伸應力，拉伸強度、膠料邵氏硬度、膠料比重及DIN磨耗指數，分析無機炭黑的補強性能。表6為無機炭黑部分替代N134炭黑，對膠料性能影響結果。
由上表數據可以分析如下：
Ⅰ. 在標準配方中將N134炭黑減少30g，添加60g無機炭黑，即改變炭黑量為20%時，100%定伸應力和300%定伸應力下降約25%，拉伸強度下降10%，拉斷伸長率有所提高，膠料硬度降低2度，膠料比重增加3.5%，DIN耐磨指數降低16.7%。
Ⅱ. 在標準配方中將N134炭黑減少75g，即50%，同時添加120g的無機炭黑進行替代，分析膠料性能時發現100%定伸應力和300%定伸應力降低40%，拉伸強度降低約25%，拉斷伸長率提高14%，膠料硬度下降8度，約11%，膠料密度增加6%，耐磨指數下降32%。
四.實驗結論
1. 無機炭黑應用于膠料標準配方中，全部替代時，不論是哪種炭黑對比，其100%定伸應力、300%定伸應力均有較大下降，下降約70%，拉伸強度下降約25%，硬度下降11-15%，膠料的密度增加約5-10%，耐磨指數降低了30-40%。膠料密度增加，膠料體積變小，相對于輪胎來說，單位體積的輪胎重量增加，成本提高。
2. 無機炭黑應用于標準膠料配方中部分替代炭黑，無論與哪種炭黑進行比較，膠料的100%定伸、300%定伸、拉伸強度均有不同程度的降低，伸長率約有增加，膠料硬度降低，密度增加，耐磨指數下降。
3. 無機炭黑的補強性能較差，只能用于填充劑，且填充的量有限。
4. 無機炭黑可沖毀分替代N660炭黑，應用于內胎等，但其成本下降有限。不可能替代硬質炭黑應用于胎體膠及胎面膠中。
5. 無機炭黑的表面積太小，表面活性差，分散困難，在橡膠混煉過程中發現易粘滾，同時易斷膠。
6. 無機炭黑的灰份太高，應用時需和輪胎廠的技術及配方人員交流。
7. 無機炭黑在目前的技術及品質下很難替代炭黑。
