陳新中

炭黑是橡膠工業(yè)主要的補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑,僅次于生膠居橡膠原材料的第二位。炭黑加入橡膠后,可以改善膠料的性能,如提高輪胎的耐磨性、抗?jié)窕?極大提高輪胎的行駛里程。但是在胎面膠加工過(guò)程中,高表面積、高結(jié)構(gòu)及高配合量的炭黑加入又會(huì)增加膠料發(fā)生焦燒的危險(xiǎn)性。如何在胎面膠中使用高配合量的炭黑,既提高膠料的性能,又降低輪胎的成本,是橡膠工作者關(guān)注的問(wèn)題,本文僅從炭黑的性能指標(biāo)方面探討炭黑對(duì)膠料焦燒性能的影響。

一、炭黑性能指標(biāo)對(duì)膠料焦燒性能

影響依據(jù)

膠料的焦燒是指膠料在存放或操作過(guò)程中產(chǎn)生早期硫化的現(xiàn)象。配合炭黑的膠料在加工過(guò)程中因生熱而有可能發(fā)生焦燒。炭黑在硫化反應(yīng)時(shí)的作用如同催化劑,使硫化起始反應(yīng)更快發(fā)生。炭黑在硫化反應(yīng)中主要影響項(xiàng)目有焦燒時(shí)間、硫化速度及最大扭力距。炭黑的比表面積、結(jié)構(gòu)、表面酸堿性、表面活性均影響膠料的焦燒時(shí)間及硫化速率。炭黑比表面積越高,結(jié)構(gòu)性越高,膠料的焦燒時(shí)間越短,硫化速度越快;炭黑的表面酸堿度(pH)越低,焦燒時(shí)間越長(zhǎng),硫化速度越慢。槽法炭黑具有遲延硫化的作用,一般不易引起焦燒。爐法炭黑呈堿性,具有促進(jìn)硫化的作用,容易引起焦燒;炭黑的表面活性越高,膠料的焦燒時(shí)間越長(zhǎng),硫化速度越慢。

二、實(shí)驗(yàn)

1.同品種炭黑,不同的表面積、結(jié)構(gòu)、pH值和揮發(fā)份的N220炭黑對(duì)胎面膠料焦燒時(shí)間的影響配方:天然橡膠60,順丁橡膠40,硫黃1.4,促進(jìn)劑MBS 0.8,氧化鋅4.0,硬脂酸2.0,防老劑PANA 1.0,防老劑CPPD 1.0,防老劑BLE 1.0,石蠟1.0,N220炭黑70,操作油10,防焦劑PVI(選用)。

按照以上配方,其他原材料不變,改用不同產(chǎn)地及指標(biāo)的N220炭黑,用MDR2000硫變儀,測(cè)量188℃下硫化速度;用EKT2001M門(mén)尼粘度儀,測(cè)138℃下焦燒時(shí)間。同品種N220炭黑對(duì)焦燒時(shí)間的影響見(jiàn)表1。

由表1可以看出,炭黑的吸碘值、吸收值越高,膠料的焦燒時(shí)間越長(zhǎng);炭黑的pH值越高,膠料焦燒時(shí)間越短;炭黑的揮發(fā)份越高,膠料的焦燒時(shí)間越長(zhǎng)。炭黑的著色強(qiáng)度反應(yīng)的是炭黑原生粒子凝聚體尺寸分布,炭黑的凝聚體尺寸分布較窄時(shí),著色強(qiáng)度高,填充此種炭黑的膠料焦燒時(shí)間短;炭黑的凝聚體尺寸較大、分布較寬時(shí),生熱性低,填充此炭黑的膠料焦燒時(shí)間長(zhǎng),這是因?yàn)榇竽垠w中間的空隙可以有效地容納小凝聚體,難以生成網(wǎng)絡(luò),而網(wǎng)絡(luò)是滯后的主要原因,所以生熱低,焦燒時(shí)間長(zhǎng)。

2.不同品種炭黑對(duì)胎面膠膠料焦燒性能的影響由于輪胎的胎面膠要求有較好的耐磨性,因此所選用的炭黑只能是N115、N234、N220等超耐磨和中超耐磨炭黑,僅以此三種炭黑對(duì)膠料焦燒時(shí)間的影響進(jìn)行分析。

配方:天然橡膠30,丁苯橡膠35,順丁橡膠35,硫黃0.8,氧化鋅3.0,硬脂酸2.0,促進(jìn)劑CBS2.0,防老劑CPPD 1.5,防老劑PBNA 1.0,石蠟1.0,六線油10,炭黑份數(shù)因品種而不同。

上述配方在其他條件相同時(shí),僅改變炭黑的品種,N115炭黑因其具有很高的比表面積,分散相對(duì)困難,因此將其用量減少5份,而N234與N220炭黑均采用55質(zhì)量份。三種炭黑指標(biāo)及其胎面膠硫變及門(mén)尼數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,N115炭黑雖然在此種配方膠料中所加的質(zhì)量份較低,但因其表面積非常高,其焦燒時(shí)間最短,扭力距最高,而N234炭黑與N220炭黑雖然吸碘值相近,但結(jié)構(gòu)性存在差異,真實(shí)的氮吸附比表面積N234比N220高,同時(shí)N234炭黑的聚集體尺寸分布及大小均比N220炭黑窄和小,因此N234炭黑的焦燒時(shí)間比N220炭黑短。從硫化速度分析,N115炭黑最快,N234炭黑居中,而N220炭黑最短。

3.采用不同的原料油生產(chǎn)的同種N220炭黑,其焦燒時(shí)間及硫化速度的比較

配方:天然橡膠(煙片膠)100,硫黃2.50,氧化鋅5.00,硬脂酸3.00,促進(jìn)劑DM 0.60,N220炭黑50。不同原料油配比生產(chǎn)的N220炭黑指標(biāo)及膠料物性分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3可以看出,使用煤焦油生產(chǎn)N220炭黑時(shí),雖然吸碘值、DBP吸收值及pH值與使用蒽油及乙烯焦油相近,但著色強(qiáng)度(聚集體尺寸分布)較低,揮發(fā)份含量較低,表現(xiàn)在膠料的物性上,焦燒時(shí)間較短,硫化速度較快。著色強(qiáng)度較低時(shí),從理論上看應(yīng)該膠料焦燒時(shí)間長(zhǎng),但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,用煤焦油生產(chǎn)的炭黑膠料焦燒時(shí)間短,這應(yīng)該是由于采用煤焦油生產(chǎn)的炭黑表面活性較低,炭黑的表面官能團(tuán)少,與橡膠間交聯(lián)密度低所致。

同時(shí)還可以看出,填充用乙烯與蒽油配成混合油生產(chǎn)的N220炭黑的膠料,其焦燒時(shí)間最長(zhǎng),硫化速度最慢,加工安全性最好。

三、結(jié)論

炭黑對(duì)膠料焦燒性能的影響不僅與炭黑的比表面積、結(jié)構(gòu)、聚集體尺寸分布、表面活性有關(guān),而且與炭黑所使用的原料種類(lèi)有關(guān)。當(dāng)然炭黑對(duì)膠料焦燒性能的影響較小,影響膠料焦燒性的主要因素應(yīng)該是配方設(shè)計(jì)、橡膠結(jié)構(gòu)、硫化體系、軟化劑和防老劑等,加入防焦劑能防止膠料發(fā)生焦燒。