炭黑化性指标对半钢胎面胶加工性能和力学性能的影响-炭黑百科-炭黑产业网

安鲁，王宏，

(青岛黑猫炭黑科技有限责任公司，山东青岛 266042)

摘要：采用不同化性指标的N234按照半钢胎面胶的配方进行混炼，研究化性指标对胶料加工性能和力学性能的影响。结果表明：炭黑的粒径和比表面积主要影响胶料的混炼温度、门尼粘度、拉伸强度、撕裂强度、回弹等;炭黑的结构度主要影响胶料的分散情况、焦烧性能、定伸强度、填充量等;炭黑的着色强度是粒径和表面活性的综合反映，对胶料的流变性能和力学性能影响较大;低比表面积、高结构度的炭黑可以保证耐磨性的基础上，作为低滞后炭黑的一种发展方向。

　　关键词：炭黑比表面积;结构度;表面活性;Payne效应;胶料性能

硬质炭黑例如N234以其优越的物理性能以及良好的加工性能，一直是半钢胎面胶的主要补强填料，但是 N234 的吸碘值范围为 120±7g/Kg、吸油值范围为 125±7m3 /Kg，着色强度范围为 123±8%，别的指标也基本都在±7的范围内。指标高和指标低可以差 14 个值，使的同一个牌号指标不同的炭黑对胶料的性能影响很大。因此研究炭黑的化性对胶料性能的影响对炭黑在橡胶中的应用有着非常重要的指导意义。

炭黑的性质主要从粒径、结构度、表面活性3 个方面体现，而体现在化性指标上主要有吸碘值、吸油值、压缩吸油值、着色强度、氮吸附比表面积等指标[1]。这些指标就影响胶料的门尼粘度、流变性能、Payne 效应、力学性能、生热性、耐磨性和炭黑的分散等性能。

1 实验

1.1 主要原材料

SBR3830：日本旭化成;BR9000：吉林石化;不同批次N234：江西黑猫炭黑股份有限公司产品;白炭黑，江西黑猫炭黑股份有限公司产品;si-69，上海麒祥化工有限公司;其他原材料组分均为市售工业级产品。

　　1.2 试验配方(质量份)

SSBR3830 100，BR9000 25，炭黑 58，白炭黑12，si-69 1.2，氧化锌 2.6，硬脂酸 1.0，4020 1.5， RD 1.0，CZ 2.2，硫磺 1.8。

　　1.3 主要仪器和设备

RPA2000型橡胶加工分析仪，美国Alpha科技公司产品;炭黑分散度仪disper GRADER αview，美国 Alpha 科技公司产品;MV2000 门尼粘度计，美国Alpha科技公司产品;Instron橡胶拉力实验机; DMA GABO有限公司产品;Akron磨耗机、压缩疲劳温升实验机GT-RH-3000 均为高铁科技股份有限公司产品;XSM-500橡塑实验密炼机，上海科创橡塑机械有限公司产品;S(X)160A双滚筒炼胶机，广东湛江机械厂。

1.4 试样制备

(1)混炼胶

采用密炼机两段工艺混炼：其中一段混炼胶：生胶→ 炭黑、白炭黑与Si-69→除硫化体系外的助剂组分→≤155℃排胶→开炼机打5遍三角包→下片，停放8小时以上;二段混炼胶：一段胶→硫化剂组分→≤115℃排胶→开炼机打5遍三角包→下片，停放 2 小时以上。

(2)硫化胶片

试样的硫化条件为 160℃ ×30min。

　　1.5 性能测试

炭黑吸碘值按GB/T 3780.1-2015;炭黑DBP吸收值按GB/T 3780.2-2017;炭黑CDBP吸收值按GB/ T 3780.4-2017;炭黑着色强度按 GB/T 3780.6- 2016;炭黑氮吸附总比表面积和外表面积的测定按 GB/T 10722-2014;炭黑单个粒子强度按 GB/T 14853.6-2013;炭黑粒径分布采用 Brook Haven 圆盘离心沉降仪进行测试;门尼粘度按GB/T 1232.1- 2016测试，温度100℃;拉伸性能按GB/T 528-2009测试，撕裂强度按GB/T 529-2008测定，阿克隆磨耗按 GB/T1689-2014 测试; 压缩疲劳温升按 GB1687-2016测试;硬度按GB/T531.1-2008;回弹按 GB/T1681-2009;

　　2 结果与讨论

2.1 不同批次 N234 的化性指标

I2代表炭黑的外比表面积，NSA代表炭黑的总比表面积，STSA代表炭黑的外比表面积，I2是碘吸附、NSA、STSA是氮气吸附;DBP代表炭黑的一次结构和二次结构总和，CDBP 代表炭黑的一次结构;Tint代表炭黑着色能力的大小，它是炭黑粒径和表面活性的综合反映;颗粒硬度主要影响炭黑的运输过程、输送过程和混炼过程[2]。由表1可以看出，N234-1 的结构度、比表面积和着色强度都是最高的，说明它所混炼胶的力学性能应该是较高的，但是也容易存在加工难、分散难的问题。 N234-2 的结构度、比表面积和着色强度相对来说较低，说明2样的力学性能会差一些，但是滞后损失也会小，混炼胶容易加工。N234-3和N234-4样的化性指标介于 1 样和 2 样之间。

D10、D50、D90分别是分布曲线中累积分布为 10%、50%、90%时的最大颗粒的等效直径，Mean是分布曲线中粒径的平均值，Mode 是分布曲线中粒径的众数，代表占比例最多的粒径大小。Span代表样品的粒径分布宽度。由表2可以看出，N234-1 的粒径较小，但是粒径分布较宽，N234-2 的粒径较大，粒径分布较窄，3# 样和 4# 样介于中间。

　　2.2 不同 N234 混炼胶的门尼和流变性能

由表3可以看出，N234-1的焦烧时间最短，硫化速度最快，这主要是由于 N234-1 的粒径小、比表面积大以及着色强度高引起的。同样的，N234-2 由于最低的比表面积和着色强度导致其混炼胶的焦烧时间最长，硫化速度最慢。ML和ML 100 ℃ 1+4 主要是由炭黑的结构度高低引起的，尤其是压缩吸油值的高低，CDBP 值越高，炭黑的堆积密度越小，炭黑的体积越大，在混炼过程中更容易飘散在腔室中，需要的混炼时间越长，但是炭黑的分散度也越高，门尼粘度值越低。而 MH 和 DBP、CDBP 呈正相关关系，MH 随 DBP 和 CDBP 的增大而增大。因此 N234-1 和 N234-3 的 MH 最大，ML 最小， N234-2 的 MH 最小，ML 最大。

　　2.3 不同 N234 硫化胶的物理机械性能

由表4可以看出，N234-1硫化胶的硬度最高， N234-2 硫化胶的硬度最低，而硬度主要和炭黑的吸油值以及着色强度有关。炭黑的吸油值和着色强度越高，硫化胶的硬度越高。N234-1 硫化胶的拉伸强度、100%定伸强度、300%定伸强度最高，这主要是由于N234-1炭黑的比表面积大和结构度高导致结合胶的含量高、交联程度大引起的[4-5]。而 N234-2 硫化胶的回弹(23℃、60℃)最高，压缩疲劳温升值最低，这个是由于 N234-2 炭黑的大粒径、低比表面积导致自由胶的含量高，滞后损失低造成的。橡胶的耐磨性受炭黑的比表面积和粒径的大小以及分布影响较大，比表面积越大、粒径越小且粒径分布越窄，其硫化胶的耐磨性越好。 N234-3样品是低表面积、高结构度，N234-4是高表面积、低结构度，这两个样品对比可以发现，耐磨性非常接近，但是 N234-3 样品的回弹和压缩温升明显优于 N234-4，说明低表面积、高结构度的样品在满足耐磨性的前提下，可以表现出更好的绿色性能。

　　2.4 不同 N234 硫化胶的 DMA 测试曲线

测试条件：静态应变 5%，动态应变 0.2%，频率 10Hz，温度范围 -40℃到 100℃，升温速率 3℃ /min。

由图1和表5 可以看出，N234-2的滞后损失和生热最小。由此可见，炭黑比表面积、吸油值、着色强度越低，炭黑的粒径越大，炭黑的链枝状结构越短，炭黑和橡胶在受力后的运动过程中内摩擦越小，滞后损失越低，从而生热越低。而 N234-3 的滞后损失小于 N234-4，说明低比表面积、高结构度的样品绿色性能要优于高比表面积、低结构度的样品。

　　2.5 不同 N234 混炼胶的 Payne 效应

测试条件：应变扫描的温度为 60℃，频率为 1Hz，应变测试范围 0.28%~100%。

Payne 效应可以表征填料在橡胶中的分散情况，这是在线的动态粘弹性检测，测试条件为：第一段：160℃ ×tc90快速硫化;第二段：温度60℃、频率1Hz、应变0.28%到100%进行应变扫描，测试低应变下的剪切模量对应变关系曲线 G’-strain， Payne 效应减弱者的分散性显良，其形成机理认为：炭黑填料网络中在混炼时形成包容胶，随着应变渐增时该包容胶析出，它对G’是弱贡献，也即是Payne效应减弱，其炭黑网络易打开，炭黑网络间的作用力减弱，因而易分散[3]。

由图2可以看出，N234-2的G’在低应变下下降最明显，表明这个炭黑之间团聚较少，填料和填料之间易打开，间接表面炭黑分散度应该最高。

　　2.6 不同 N234 混炼胶的分散度照片