朱永康　編譯(中橡集團炭黑工業研究設計院，四川自貢　643000)

炭黑是大部分橡膠膠料最關鍵的重要組成部分，其用量在配合劑中通常是最大的，僅次于聚合物本身。炭黑會影響橡膠膠料的許多性能，以及混煉操作的諸多方面。由于炭黑對橡膠膠料的重要性和其高填充量的潛力，確認膠料中使用特定品種炭黑的總質量成本是必要的。為了評估炭黑在給定膠料中的總質量成本，必須對諸如每單位填料量的成本、處理時間與勞動力、混煉時間和能量消耗、混煉產物和最終產品的廢品率、加工性以及最終產品性能等方方面面加以考察。

雖然在通用意義上常使用“炭黑”這一術語，而實際上炭黑分為5種主要的類型：乙炔炭黑、槽法炭黑、燈煙炭黑、爐法炭黑和熱裂法炭黑。本文將重點介紹中粒子熱裂法炭黑N990，闡述在丁腈橡膠膠料中使用N990熱裂炭黑對膠料性能和總質量成本的影響。

1·N990熱裂法炭黑的分類及性能

盡管爐法炭黑在世界炭黑消費量中占據主要地位，但在特別是利用高性能聚合物的膠料中，熱裂法炭黑卻扮演著十分重要的角色。通常情況下，炭黑可定義為具有非晶型半石墨分子結構的碳的極微細的粒子聚集體。熱裂炭黑是采用潔凈的天然氣原料以熱分解反應的形式生產的，如此生產出的高純度炭黑粒徑較大、結構較低。

1.1　N990熱裂法炭黑的粒徑分類

大多數的橡膠用熱裂法炭黑和爐法炭黑，都是按ASTM　D1765標準所述的4字符命名規則分類。其中第一個字符為字母，表示炭黑對膠料硫化速率的影響。在N990炭黑的情況下，“N”表示正常硫化速率。下一個字符是基于炭黑的平均表面積確定的數字，而最后兩個字符則是任意指定的。

中粒子熱裂法炭黑在所有炭黑中的粒徑最大，因而它的比表面積最低，平均為9m2/g。加拿大坎卡布公司(Cancarb　Limited)的ThernmaxN990平均粒徑為280nm。

1.2　N990熱裂法炭黑的結構分類

所謂“結構”是指炭黑的原生粒子永久熔結成聚合體的程度。N990中粒子熱裂法炭黑的特點是粒子較大，呈球形，聚集程度低。吸油值(OAN)測定可以提供碳粒子在各種炭黑品種中聚集程度的相對量度。中粒子熱裂法炭黑的吸油值較低，大約處在32～45ml/100g范圍內。標準爐法炭黑的OAN范圍可達60～150ml/100g。

一般來說，中粒子熱裂法炭黑的低結構有助于降低混煉溫度，提高焦燒安全性，降低壓縮永久變形，保留彈性體固有的回彈性。

1.3　N990熱裂法炭黑的表面活性

表面活性是指炭黑的化學反應性，以及它對與聚合物的表面相互作用的影響。表面活性可以量度碳的化學性質和石墨結構的關系，它還受到原料及生產工藝條件的影響。表征炭黑的表面能與化學性質的研究間接表明，表面能隨著比表面積的增加而增大，并具有碳的多環芳烴特征。利用高純度原料(如天然氣)生產的炭黑，其特點體現在表面能低、表面基團較少，從而導致其表面活性比較低。一般認為，具有高表面活性的炭黑可賦予橡膠高補強作用。中粒子熱裂法炭黑被稱之為無活性炭黑或非補強炭黑，而氧濃度較高并含有硫表面基團的小粒子炭黑往往活性很高，可以對橡膠基質具有高補強作用。

1.4　pH值

炭黑的pH值主要取決于粒子表面的氧化程度和生產過程用水的特性。它將因品種和供應商而有所不同。每一種橡膠膠料都必須考慮炭黑填料的pH值，因為pH值變化可能影響硫化體系，從而造成加工偏差。

坎卡布公司生產的的ThernmaxN990熱裂法炭黑的pH始終保持在較窄的范圍即9～10范圍內，其酸性是所有炭黑當中最低的。爐法炭黑可以具有4～9的pH值范圍。可能影響膠料硫化體系的其他因素包括灰分和含硫量，它們在爐法炭黑中的含量也比在熱裂法炭黑中高。

1.5　電性能

雖然其微觀結構與石墨類似，但炭黑當中碳層的排列卻較為無序。這就使得炭黑成為一種固有的半導電材料，盡管賦予橡膠膠料導電性的多少還取決于其他因素。原生粒子尺寸、結構、孔隙率、表面氧化基團和填充量等，所有這些因素在膠料導電性中都發揮著作用。根據文獻的報道，原生粒子尺寸是影響炭黑導電性的主要參數。聚集體內炭黑粒子間縫隙的平均寬度，也被認為是影響導電性的因素之一。表1報告了三種爐法炭黑與N990在三元乙丙橡膠(EPDM)試驗膠料中的體積電阻率(Ω·cm)。ASTM　D991《導電和抗靜電產品的體積電阻率》是測試橡膠性能的標準的方法。不過，在本實驗中并不能遵循ASTMD991標準，因為這種含N990炭黑的膠料的電阻率太高。為此，按ASTM　D257《絕緣材料的直流電阻或電導》來評估體積電阻率。含爐法炭黑的膠料可按ASTM　D991標準測定，但為了保持一致也通過ASTM　D257標準來評估。

含ThernmaxN990的膠料在所有試樣中具有最高的體積電阻率。標準爐法品種其電阻率的下降幅度與其粒徑大小是對應的。電阻率最低的N550所具有的結構也最高。

大粒子、低結構ThernmaxN990的導電性遠低于其他品種，因此，它是需要高體積電阻率的應用(如低電壓電纜絕緣、電容器端插頭、冷卻液軟管和汽車風雨密封制品)的最佳選擇。

2·利用Thernmax　N990提高丁腈橡膠的加工性能和動態性能

2.1　試驗膠料配方

試驗膠料配方如表2所示。

2.2　試驗膠料性能

注意到試驗膠料的粘度僅稍有提高，與此同時門尼焦燒時間則略微下降，即便炭黑總填充量分別增加至20份、30份和35份，情況也是如此。因而，通過使用更多填料就可轉化為膠料總質量成本的下降，同時又可保持良好的加工性能。隨著聚合物和其他膠料原材料價格持續上漲，既能生產出所需數量的膠料，同時又可用高填充量的Thernmax　N990代替價格較貴的聚合物的能力，必然會降低膠料的成本而又不增加處理時間與加工的難度。試驗膠料的性能列于表3。

2.3　硫化性能(160℃×90min)

填充ThernmaxN990的諸膠料均表現出壓縮永久變形大幅度降低，只有邵爾A硬度為80的試驗膠料C2例外，其壓縮永久變形僅略有提高。這很可能是由于高炭黑填充量使聚合物與填料的結合減少引起的。

考慮到ThernmaxN990填充膠料的潛在好處，參比膠料與試驗膠料在拉伸性能和撕裂強度方面的差異相對較小。由于丁腈橡膠常用于密封(如密封件、墊圈、O型圈)以及軟管，壓縮永久變形改善就成為用戶迫切需要的屬性。這方面與因較高填充量實現潛在的成本節省相結合，便可進一步降低膠料的總質量成本。

2.4　老化后物理性能的變化

在空氣、ASTM　3號油和燃料B中的老化，ThernmaxN990試驗膠料與參比膠料并沒有呈現出明顯的差異。另外，值得注意的是高丙烯腈(ACN)含量的丁腈橡膠試驗膠料D與試驗膠料B2之間的對比———(后者為一種丙烯腈含量中等的丁腈橡膠)，其邵爾A硬度與前者相同，也使用ThernmaxN990作填料。這兩種膠料均表現出類似的耐油老化性能和耐燃油老化性能，只不過體積溶脹是個例外(B2膠料略高些)。

由此可見，用丙烯腈含量中等的丁腈橡膠和ThernmaxN990代替價格更貴、丙烯腈含量高的丁腈橡膠，能夠有效地降低膠料的成本。

3　結語

ThernmaxN990中粒子熱裂法炭黑作為一個獨特的炭黑品種，其性能特征體現為粒徑在現有炭黑當中最大，結構在現有炭黑當中最低。為橡膠膠料選擇填料對于任何一位配方設計人員而言都很關鍵，因為在評估膠料的總質量成本時，諸如成本、性能、加工性、廢品率和儲運等，所有這些方面都必須加以考慮。ThernmaxN990既能降低丁腈橡膠膠料的總質量成本，同時又可以提高或保持關鍵性能。ThernmaxN990在丁腈橡膠膠料中的優勢業已得到證實，堪稱為現代的先進聚合物技術的理想選擇。

參考文獻：

1·Cancarb公司資料