朱永康 編譯 (中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，四川自貢 643000)
橡膠工業(yè)正在經(jīng)歷這樣的一個(gè)階段：一方面，用戶需要價(jià)格具有競爭力的內(nèi)胎、小型輪胎等常規(guī)產(chǎn)品;另一方面，原材料價(jià)格不斷呈現(xiàn)出跳躍式上漲，而該行業(yè)對(duì)于采用綠色清潔技術(shù)又有著諸多法律限制。在這種十分緊迫的情況下，橡膠技術(shù)人員當(dāng)前所面臨的一大挑戰(zhàn)，是設(shè)計(jì)出一種采用再生橡膠或回收材料等綠色技術(shù)，成本最優(yōu)而同時(shí)又能保持功能性/抗破壞性能的膠料。
通常情況下，再生橡膠是與高耐磨炭黑(HAF)這類補(bǔ)強(qiáng)填料組合用于膠料，而這類填料屬于化石原料產(chǎn)品。本研究致力于用50 phr通過綠色技術(shù)生產(chǎn)的回收炭黑替代HAF，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)來測定其在天然橡膠(NR)再生硫化膠中的功能特性，最終目標(biāo)是使這種填料的添加量達(dá)到最佳化。
本研究使用了名為Hi-Green 炭黑的回收/綠色炭黑。據(jù)印度杉拓綠色能源公司(Shantol Green Energy (I) Pvt. Ltd)稱，這種綠色炭黑是通過熱催化解聚工藝(系該公司專有技術(shù))生產(chǎn)出來的，該技術(shù)每天可以生產(chǎn)出30噸綠色炭黑，同時(shí)可減少二氧化碳(CO2)排放60噸左右。換句話說，生產(chǎn)或使用1噸Hi-Green 炭黑可減排2噸溫室氣體(CO2)，憑借這樣一種方式產(chǎn)生積極的環(huán)境效應(yīng)。研究旨在用這種從廢輪胎生產(chǎn)的回收炭黑部分替代HAF炭黑(化石原料產(chǎn)品)，從而減少溫室氣體排放。此項(xiàng)工作通過智能/綠色配方技術(shù)來幫助降低膠料的成本，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件(DOE/DOX)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析。
DOE是一種安排實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，主要對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行合理安排，以較小的試驗(yàn)規(guī)模(試驗(yàn)次數(shù))、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本，獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。這一重要工具的作用包括：提高產(chǎn)量、改善性能、減少質(zhì)量波動(dòng)、縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期、降低成本、延長產(chǎn)品壽命等等。在本研究中，利用這種DOE軟件來篩選和優(yōu)化膠料配合及產(chǎn)品性能中任一因子的影響，通過以回收炭黑部分替代HAF，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)橡膠膠料性能的優(yōu)化。
1實(shí)驗(yàn)
用NR /再生膠(70:30)作為聚合物，使用的其它配合劑由標(biāo)準(zhǔn)供貨商提供，見表2。
膠料在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室用捏煉機(jī)(處理能力3L)上混合。板狀試樣和紐扣狀試樣在150°C模壓10min。全部測試均依照ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行，其結(jié)果詳見附表3~表6所示。
2 通過DOE 進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)分析
150°Cx15'條件下的流變性能如圖1~圖3所示。從一組分析來看(圖1)，用RC-665炭黑來替代25%的HAF是很容易的事情，不會(huì)影響彈性扭矩。
從T10%圖(圖2)可以看出，當(dāng)我們用RC-665來替代 HAF時(shí)，這個(gè)值呈線性增大。這就意味著添加RC-665后，硫化反應(yīng)略有延遲。為了保持同樣的硫化程度和硫化速率，技術(shù)人員可以選擇調(diào)整促進(jìn)劑的用量。不過，盡管替代量達(dá)25%之多，安全焦燒時(shí)間卻并沒有明顯變化。因此，只要替代量不超過25%， RC-665便很容易替代HAF。
隨著HAF被RC-665替代，T90%的值呈現(xiàn)出線性增大(圖3);但是只要替代量不超過25%，HAF就很容易被RC-665替代。
100°C時(shí)的門尼粘度示于圖4。當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)，門尼粘度呈線性下降;但是只要替代量不超過25%，便不會(huì)有太大的變化——例如在25%以內(nèi)，HAF就十分容易被RC-665替代。
初始物理性能(在150°Cx 0’，對(duì)板狀和紐扣狀試樣進(jìn)行模壓)如圖5~圖7所示。用RC-665替代HAF證實(shí)了其呈現(xiàn)線性下降，但是當(dāng)替代量保持在25%以內(nèi)時(shí)，未曾觀察到有明顯的變化(圖5)。
隨著HAF被RC-665炭黑替代，膠料的拉伸強(qiáng)度呈線性下降，不過只要替代量不超過25%， HAF就很容易被RC-665替代 (圖6)。
當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)，扯斷伸長率呈線性增大 (圖7)。這是因?yàn)榱蚧癄顟B(tài)和硬度呈線性降低;但只要替代量不超過25%，HAF就很容易被RC-665替代。扯斷伸長率增大也表明這種回收炭黑中存在少量白炭黑。
我們不妨來看一下壓縮永久變形分析(圖8)。當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)，所有膠料的壓縮永久變形均增大了5~6個(gè)單位。因此，必須通過調(diào)整硫黃/促進(jìn)劑比例，來調(diào)整膠料的壓縮永久變形。
動(dòng)態(tài)性能分析如圖9~圖12所示。當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)，疲勞破壞循環(huán)次數(shù)呈線性減少;但只要替代量不超過25%， HAF就很容易被RC-665替代(圖9)。FTFT(疲勞破壞試驗(yàn))試樣的熱老化表明，用RC-665替代25%的HAF并不會(huì)改變這一結(jié)論。
應(yīng)力松弛方程衰變常數(shù)(λ)是用Ektron門尼粘度計(jì)來測量的。當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)，衰變常數(shù)減小 (注:衰減常數(shù)值越大，應(yīng)力松弛時(shí)間越長) 。從實(shí)驗(yàn)不難看出，HAF的應(yīng)力松弛優(yōu)于回收炭黑。但是，以這種回收炭黑替代25%的HAF或許是一個(gè)可靠的選項(xiàng)(圖10)。
圖11示出了FTFT與拉伸強(qiáng)度相互關(guān)聯(lián)的情況。從該圖可以看出，當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)， FTFT循環(huán)次數(shù)和拉伸強(qiáng)度值呈線性下降;但只要替代量保持在25%以內(nèi)，即可用RC-665安全地替代HAF。
當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)，tanδL和線性衰變常數(shù)值呈線性減小 (圖12)
3 結(jié) 語
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)用RC-665替代HAF時(shí)，流變特性、拉伸性能和動(dòng)態(tài)性能惡化;但根據(jù)本文中所介紹的模型，觀察到的現(xiàn)象使我們得出了這樣的結(jié)論：除了影響壓縮永久變形性能外——這需要通過調(diào)整硫化助劑(如硫黃/促進(jìn)劑比)來優(yōu)化，可以安全地用RC-665替代25%的HAF。建議在評(píng)估功能特性的要求后，根據(jù)具體產(chǎn)品進(jìn)行特定的配合，利用測試和試驗(yàn)來確定替代方案。這樣的替代無疑有助于保護(hù)自然資源，減少溫室氣體排放，最終目標(biāo)是保護(hù)地球母親，降低膠料成本，為利用廢棄物作為有用的配合材料開辟一個(gè)新領(lǐng)域，
參考文獻(xiàn)：
[1] Ajay Singh. Optimization of Properties of a Conventional Rubber Compound through Partial Replacement of HAF with Recycled/green Carbon Black[J].Rubber World，2017，255(5)，44-48
[2] D.Pantea et al. Heat treatment of carbon blacks obtained by pyrolysis of used tires:Effect on the surface chemistry, porosity and electrical conductivity. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2003，67，55-76
