陳新中
炭黑是橡膠工業主要的補強劑和填充劑,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、抗濕滑性,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、高結構及高配合量的炭黑加入又會增加膠料發生焦燒的危險性。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,是橡膠工作者關注的問題,本文僅從炭黑的性能指標方面探討炭黑對膠料焦燒性能的影響。
一、炭黑性能指標對膠料焦燒性能
影響依據
膠料的焦燒是指膠料在存放或操作過程中產生早期硫化的現象。配合炭黑的膠料在加工過程中因生熱而有可能發生焦燒。炭黑在硫化反應時的作用如同催化劑,使硫化起始反應更快發生。炭黑在硫化反應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、結構、表面酸堿性、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,結構性越高,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、結構、pH值和揮發份的N220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,改用不同產地及指標的N220炭黑,用MDR2000硫變儀,測量188℃下硫化速度;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。
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,膠料焦燒時間越短;炭黑的揮發份越高,膠料的焦燒時間越長。炭黑的著色強度反應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,著色強度高,填充此種炭黑的膠料焦燒時間短;炭黑的凝聚體尺寸較大、分布較寬時,生熱性低,填充此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,難以生成網絡,而網絡是滯后的主要原因,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、N220等超耐磨和中超耐磨炭黑,僅以此三種炭黑對膠料焦燒時間的影響進行分析。
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質量份。三種炭黑指標及其胎面膠硫變及門尼數據見表2。
由以上實驗數據可知,N115炭黑雖然在此種配方膠料中所加的質量份較低,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,但結構性存在差異,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,促進劑DM 0.60,N220炭黑50。不同原料油配比生產的N220炭黑指標及膠料物性分析數據見表3。
由表3可以看出,使用煤焦油生產N220炭黑時,雖然吸碘值、DBP吸收值及pH值與使用蒽油及乙烯焦油相近,但著色強度(聚集體尺寸分布)較低,揮發份含量較低,表現在膠料的物性上,焦燒時間較短,硫化速度較快。著色強度較低時,從理論上看應該膠料焦燒時間長,但實際實驗中,用煤焦油生產的炭黑膠料焦燒時間短,這應該是由于采用煤焦油生產的炭黑表面活性較低,炭黑的表面官能團少,與橡膠間交聯密度低所致。
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、結論
炭黑對膠料焦燒性能的影響不僅與炭黑的比表面積、結構、聚集體尺寸分布、表面活性有關,而且與炭黑所使用的原料種類有關。當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該是配方設計、橡膠結構、硫化體系、軟化劑和防老劑等,加入防焦劑能防止膠料發生焦燒。
