林雅鈴,張安強,王煉石,周奕雨(華南理工大學材料科學與工程學院,廣東廣州 510640)
摘要:研究炭黑填充型非硫黃調節型粉末CR[簡稱P(CR/N330)]中炭黑N330的分散性。結果表明,使用包覆劑和增大分散劑的用量可有效提高炭黑N330在P(CR/N330)中的分散性,減輕或消除P(CR/N330)的接觸污染性;有接觸污染性的P(CR/N330)粒子表面和內部存在游離的炭黑團粒,無接觸污染性的P(CR/N330)粒子表面和內部均較為光滑,無游離的炭黑團粒存在。
關鍵詞:粉末CR;包覆劑;高耐磨炭黑;分散劑;分散性
中圖分類號:TQ330.38+1;TQ333.5文獻標識碼:A文章編號:1000-890X(2005)05-0266-04
CR主要用于制造膠管、膠帶、化工設備襯里、電線電纜及耐油制品等。在使用過程中,絕大多數場合需要采用炭黑填充,以達到提高性能和降低成本的目的[1~5]。但由于炭黑在CR中的分散性較差,導致膠料加工較困難[2,3]。以往的研究[6~11]表明,通過將炭黑與膠乳混合后經粉末化技術制備成炭黑填充型粉末橡膠,可以有效提高炭黑在橡膠基體中的分散性,從而改善炭黑填充膠的加工性能,并可獲得具有優良性能的硫化膠。研究炭黑填充型粉末CR的制備、結構與性能,有助于拓展通用型粉末CR的應用范圍[8,12~15]。本工作在制備炭黑填充型非硫黃調節型粉末CR[簡稱P(CR/N330)]的基礎上,研究炭黑N330在P(CR/N330)中的分散性,為填充型粉末橡膠的工業化提供參考。
1 實驗
1.1 原材料
CR膠乳,牌號CR231,固形物質量分數約為0.32,重慶長壽化工有限責任公司產品;炭黑N330,上海立事化工實業有限公司產品;包覆劑,采用乙烯基單體,通過自由基聚合而成,自制;分散劑,經改性的非離子型表面活性劑,自制;其它原材料均為橡膠工業常用原材料。
1.2 試樣制備
在分散劑的水溶液中加入炭黑,攪拌30 min后加入膠乳和包覆劑,混合均勻,水浴加熱至85℃并恒溫攪拌25 min。采用逆凝聚成粉工藝,將上述配合膠乳通過可調節流量的導管勻速注入到80~90℃高速攪拌的氯化鈣水溶液(質量分數為0.01)中,水浴加熱,保持水溫為70~90℃,陳化10~30 min后排料,洗滌、過濾、篩分,將所得產物置于85℃恒溫鼓風干燥箱中干燥至水分質量分數在0.01以下,即得到P(CR/N330)。
1.3 性能測試
(1)P(CR/N330)接觸污染性的評定
P(CR/N330)的接觸污染性分為0~4級。其中,0級表示無接觸污染性,4級表示接觸污染性最大。評定方法:將少許P(CR/N330)置于白紙上,用手指緊壓并來回搓動,如果白紙和手指極黑,就認為接觸污染性嚴重,評為4級;如果白紙沒有染上炭黑而保持白色,則說明無接觸污染性,評為0級;其它級別依此類推[10,11]。
(2)P(CR/N330)的微觀形貌與能譜分析
采用荷蘭菲利浦公司XL30 FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察P(CR/N330)的微觀形貌,試樣觀察前作噴金處理;采用XL30 FEG型SEM附帶的DX4I型能譜分析儀(美國EDAX公司產品)對試樣表面指定區域作能譜分析。
2 結果與討論
2.1 P(CR/N330)接觸污染性的影響因素接觸污染性指炭黑填充型粉末橡膠粒子表面的游離炭黑對其所接觸物品的污染性。接觸污染性可以作為炭黑在填充型粉末橡膠中分散性的一個宏觀指標。炭黑填充型粉末橡膠的接觸污染性大不僅會造成混煉時炭黑飛揚,還會對硫化膠的物理性能產生不利影響。
2.1.1 分散劑
研究[13~15]表明,在制備過程中添加分散劑有助于降低產物的接觸污染性。炭黑與水的相容性很差,加入分散劑可以有效改善炭黑與水的相容性,形成相對穩定的炭黑乳液[9~11,16]。未添加包覆劑時,分散劑用量對P(CR/N330)接觸污染性的影響如表1所示。
從表1可以看出,隨著分散劑用量的增大,P(CR/N330)的接觸污染性顯著降低,當分散劑/炭黑質量比為0.12時,產物已沒有接觸污染性,但產物的粒徑大小不一,范圍在2~6 mm。
2.1.2 包覆劑
為了得到粒徑及其分布合理的粉末橡膠,根據前期工作,選用玻璃化溫度(Tg)分別為55.3和84.2℃的兩種包覆劑(分別表示為M7和M8)對P(CR/N330)進行包覆。包覆劑對P(CR/N330)接觸污染性的影響如表2所示。
從表2可以看出,當分散劑/炭黑質量比為0.10時,加入10或15份的包覆劑M7或M8均可得到無接觸污染性的P(CR/N330)。說明加入包覆劑不僅可以得到粒徑及其分布合理的P(CR/N330),并且有助于消除產物的接觸污染性。
2.2 P(CR/N330)的SEM分析和能譜分析
2.2.1 有接觸污染性的P(CR/N330)
有接觸污染性的P(CR/N330)粒子的SEM照片如圖1所示,粒子表面能譜分析如表3所示。
從圖1和表3可以看出,有接觸污染性的P(CR/N330)粒子表面和截面均十分粗糙,表面上有一些突出的球體,能譜分析發現這些球體的碳元素含量很高,說明這些突出的球體主要為未分散的炭黑團粒;粒子截面中存在大量孔洞和空隙,說明P(CR/N330)宏觀粒子由多顆細小的初級粒子在凝聚過程中聚集、粘結而形成;對圖1(d)中的深色部分(A區域)和淺色部分(B區域)進行表面能譜分析,發現B區域的碳元素含量很高,說明淺色部分主要為炭黑團粒。綜上所述,具有接觸污染性的P(CR/N330)粒子表面和內部均存在著游離的炭黑團粒,說明炭黑尚未均勻分散到橡膠基體中,這是造成接觸污染的直接原因。
2.2.2 無接觸污染性的P(CR/N330)
無接觸污染性的P(CR/N330)粒子的SEM照片如圖2所示,粒子表面能譜分析如表4所示。從圖2和表4可以看出,無接觸污染性的P(CR/N330)粒子的表面鈣元素含量高于粒子內部,這說明P(CR/N330)粒子凝聚形成后,其表面被充分鈣化,實現了粒子的包覆和粒子間的相互隔離。與有接觸污染性的P(CR/N330)粒子相比,無接觸污染性的P(CR/N330)粒子表面和截面均較為光滑,未能觀察到游離炭黑團粒的存在,說明炭黑在CR基體中得到了較好的分散,并被橡膠包埋,從而有效地消除了粒子的接觸污染性。
3 結論
(1)增大分散劑的用量,可降低P(CR/N330)的接觸污染性,提高炭黑的分散性,在無包覆劑條件下,當分散劑/炭黑質量比為0.12時,P(CR/N330)無接觸污染性。
(2)使用包覆劑有助于消除P(CR/N330)的接觸污染性。
(3)有接觸污染性的P(CR/N330)粒子表面和內部存在游離的炭黑團粒,炭黑尚未均勻分散到橡膠基體中;無接觸污染性的P(CR/N330)粒子表面和內部均較為光滑,無游離炭黑團粒存在,
炭黑在橡膠基體中分散良好,并被橡膠包埋。
