炭黑性質(zhì)對膠料焦燒性能的影響 - 無圖版
aassdd --- 2007-12-15 16:13:17
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炭黑是橡膠工業(yè)主要的補強(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程中，高表面積、高結(jié)構(gòu)及高配合量的炭黑加入又會增加膠料發(fā)生焦燒的危險性。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)注的問題，本文僅從炭黑的性能指標(biāo)方面探討炭黑對膠料焦燒性能的影響。
一、炭黑性能指標(biāo)對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程中產(chǎn)生早期硫化的現(xiàn)象。配合炭黑的膠料在加工過程中因生熱而有可能發(fā)生焦燒。炭黑在硫化反應(yīng)時的作用如同催化劑，使硫化起始反應(yīng)更快發(fā)生。炭黑在硫化反應(yīng)中主要影響項目有焦燒時間、硫化速度及最大扭力距。炭黑的比表面積、結(jié)構(gòu)、表面酸性、表面活性均影響膠料的焦燒時間及硫化速率。炭黑比表面積越高，結(jié)構(gòu)性越高，膠料的焦燒時間越短，硫化速度越快；炭黑的表面酸堿度（ＰＨ）越低，焦燒時間越長，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，膠料的焦燒時間越長，硫化速度越慢。
二、實驗
１．同品種炭黑，不同的表面積、結(jié)構(gòu)、ＰＨ值和揮發(fā)份的Ｎ２００炭黑對胎面膠料焦燒時間的影響
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N200炭黑，用MDR2000硫變儀，測量188℃下硫速度；用EKT2001M門尼粘度儀，測138℃下焦燒時間。同品種N220炭黑對焦燒時間的影響見表1。
表1 同品種N220炭黑對焦燒時間的影響
項 目 測試結(jié)果
Ａ１ �。粒病 。�
吸碘值/mg•g-1 123 118 120
DBP吸收值/m3•100g-1 115 111 113
pH值 7.8 6.8 6.3
揮發(fā)份/% 0.9 1.5 1.2
著色強(qiáng)度/% 116 110 113
硫化儀數(shù)據(jù)（188℃）
ML/dN•m 2.56 2.52 2.65
MH/dN•m 14.36 14.88 13.5
ts1 /min 0.49 0.54 0.54
t50/min 1.06 1.16 1.13
t90/min 1.70 1.88 1.81
門尼焦燒時間（138℃）
MV/MU 53.7 52.5 53.2
t5/min 9.90 14.25 13.46
t35/min 16.83 18.35 18.11
注：A、B 表示產(chǎn)地，A1、A2表示兩批不同指標(biāo)產(chǎn)品。
由表１可以看出，炭黑的吸碘值、吸收值越高，膠料的焦燒時間越長；炭黑的ＰＨ值越高，膠料焦燒時間短；炭黑的揮發(fā)份越高，膠料的焦燒時間越長。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，著色強(qiáng)度高，填充此種炭黑的膠料焦燒時間長，這是因為大凝聚體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，焦燒時間長。
２．不同品種炭黑對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、N200等超耐磨和中超耐磨炭黑，僅以此在三種炭黑對膠料焦燒時間的影響進(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CPPD1.5，防老劑PBNA1.0，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，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尼數(shù)據(jù)見表2。
表2 三種炭黑指標(biāo)及胎面膠物生分析數(shù)據(jù)表
項 目 測試結(jié)果
N115 N234 N220
吸碘值/mg•g-1 161 120 121
DBP吸收值/m3•100g-1 112 124 115
pH值 7.2 7.4 7.7
揮發(fā)份/% 1.6 1.2 1.0
著色強(qiáng)度/% 123 123 114
硫化儀數(shù)據(jù)（188℃）
ML/dN•m 5.16 4.52 4.20
MH/dN•m 19.26 17.83 17.04
ts1 /min 0～44 0～48 0～50
t50/min 1～51 1～55 1～57
t90/min 3～40 3～48 3～54
門尼焦燒時間（138℃）
MV/MU 61.3 62.1 60.2
t5/min 13.2 14.8 15.5
t35/min 22.1 26.4 27.3
注：硫變條件：EKT2000S/SP 170℃、6min；焦燒條件：EKT2001M127℃
由以上實驗數(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，真實的氮吸附比表面積N234比N220高，同時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，促劑DM0.60，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)見表3。
表3 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)
項 目 測試結(jié)果
N220 N200 N200
原料油型號 AT ET CT
吸碘值/mg•g-1 120 120 121
DBP吸收值/m3•100g-1 113 114 113
pH值 7.1 7.2 7.1
揮發(fā)份/% 1.5 1.2 0.9
著色強(qiáng)度/% 114 111 108
硫化儀數(shù)據(jù)（188℃）
ML/dN•m 5.81 5.25 5.20
MH/dN•m 18.98 18.17 19.02
ts1 /min 0～57 0～52 0～49
t50/min 1～37 1～35 1～31
t90/min 3～44 3～39 3～28
門尼焦燒時間（138℃）
MV/MU 81.4 86.8 84.9
t5/min 6.40 5.39 5.22
t35/min 15.96 14.67 13.50
注：①AT為乙烯焦油，ET為蒽油，CT為煤焦油；②硫變條件：EKT2000S/SP 170℃、6min；焦燒條件：EKT2001M 127℃。
由表3可以看出，使用煤焦油生產(chǎn)N220炭黑時，雖然吸碘值、BDP吸收值及pH值與使用蒽油及乙烯集相近，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，焦燒時間較短，硫化速度較快。著色強(qiáng)度較低時，從理論上看應(yīng)該膠料焦燒時間長，但實際實驗中，用煤焦油生產(chǎn)的炭黑膠炎焦燒時間短，這應(yīng)該是由于采用煤焦油生產(chǎn)的炭黑表面活性較低，炭黑的表面宮能團(tuán)少，與橡膠間交聯(lián)密度低所致。
同時還可以看出，填充用乙烯與蒽油配成混合油生產(chǎn)的N220炭黑的膠料，其焦燒時間最長，硫化速度最慢，加工安全性最好。
三、結(jié)論
炭黑對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有關(guān)。當(dāng)然炭黑對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、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。
-- 結(jié)束 --