① 陈新中 ①孟巧玲 ②陈嘉璇(① 东耐斯特炭黑有限公司，②山东潍坊学院)
一. 前言
无机炭黑是以优质电厂粉煤灰为基础材料、以改性高分子材料为成核剂并通过碱性偶联剂、酸性偶联剂、复合偶联剂对微珠进行表面改性、微细化处理、离子分离、表面修饰、喷雾干燥处理等多种工艺复合而成的半合成、微纳米级硅铝氧化物粉末状材料或干法造粒的小颗粒材料。无机炭黑呈多孔蜂窝状圆球体结构，粒径则一般在 0.05-2μm 之间。其表面相对光滑的部分有孔状结构，微珠的内部充满了一些体积更小的珠体，形成了其多孔结构，且里面充满了二氧化碳和氮气。这样的多孔结构使得无机炭黑的比表面积很大，具有很好的吸附性能，吸附活性很高。橡胶分子链能够插入其中，形成十分牢固的结合，从而提高橡胶的强度。为了验证无机炭黑的性能，本文以实验的方法研究,分析无机炭黑对橡胶性能的影响,以验证无机炭黑的使用前景及价值。
二. 实验
实验以橡胶标准配方作为依据，通过对比N660、N339、N134及无机炭黑的胶料拉伸强度、扯断伸长率、100%定伸应力、300%定伸应力和DIN磨耗数据，分析无机炭黑与炭黑之间对橡胶性能的影响，同时通过无机炭黑份量的变化研究其趋势。表一为设计的无机炭黑及炭黑配方试验方案
一. 实验结果讨论
1. 无机炭黑的分析数据
为了了解无机炭黑的粒径及结构，我们按照炭黑的分析方法对表征炭黑性能的几个指标进行了分析，分析结果如表2.
通过以上数据的分析表明：无机炭黑的粒径太大，无法通过45μm筛余，其表面积太小，无法用吸碘值进行表征，无机炭黑中含有46.9%的氧，在9500C高温下会与其成份中的铝等化合，导致其灰份长虹高，甚至超过100%，灰份指标将严重影响橡胶的老化性能。
2.无机炭黑填充胶料替代N660炭黑的实验结果讨论
由上表可以看出：加入同等的N660和无机炭黑配方中，加入N660炭黑的胶料100%定伸应力是加入无机炭黑的3倍多，300%定伸应力相差约5倍;拉伸强度加入N660炭黑的胶料也明显高于无机炭黑的胶料，胶料硬度方面，加入无机炭黑后明显提升，不是生产厂家所说降低胶料的比重;特别表现在耐磨性上，从DIN磨耗指数上分析，加入N660炭黑的磨耗指数是加入无机炭黑胶料的122.8%，无法替代N660炭黑在胶料中直接应用。
改变无机炭黑的添加量，减少无机炭黑，增加N660炭黑进行胶料实验对比，其结果如表4.
由上表可以看出：在配方中添加80份无机炭黑替代50份N660炭黑时，虽然胶料硬度相当，但其100%定伸应力和300%定伸应力仍相差40%左右，拉伸强度相差3.5Mpa，磨耗指数相差15%，继续减少无机炭黑添加量，增加炭黑添加量时，胶料硬度硬度上升，但拉伸强度下降，100%定伸和300%定伸均出现上升，耐磨性提高，磨耗指数增加。表明无机炭黑的补强性能较差，耐磨性差。
3. 无机炭黑替代N339应用于标准胶料配方中性能影响
为了研究无机炭黑填充胶料的耐磨性能，我们与其N339炭黑的胶料性能进行对比，同时采用全部替代和部分替代N339炭黑进行对比实验，其结果如表5
由上表可以得出如下结论：
Ⅰ.标准配方中用100gN339炭黑+100g无机炭黑替代150gN339炭黑，脑炎料的100%定伸应力和300%定伸应力均下降约30%，拉伸强度下降约23%，胶料比重增加6.4%，胶料硬度降低2.5度，DIN磨耗指数下降27.22%，表明无机炭黑的补强性能差，分散性能也比较差。
Ⅱ.标准配方中用200g无机炭黑替代150gN339炭黑，胶料的100%定伸应力和300%定伸应力仅只有1/3，下降了约70%，拉伸强度下降了1/4，胶料硬度下降了16度，但胶料的比重增加了9%，DIN磨耗指数下降了50%，下降比例为36%。
4、无机炭黑替代N134炭黑，应用于标准配方中对胶料性能影响
为了研究无机炭黑在胎面胶中性能，我们使用标准配方进行比较，以公司开发的N134炭黑进行对比实验，研究定伸应力，拉伸强度、胶料邵氏硬度、胶料比重及DIN磨耗指数，分析无机炭黑的补强性能。表6为无机炭黑部分替代N134炭黑，对胶料性能影响结果。
由上表数据可以分析如下：
Ⅰ. 在标准配方中将N134炭黑减少30g，添加60g无机炭黑，即改变炭黑量为20%时，100%定伸应力和300%定伸应力下降约25%，拉伸强度下降10%，拉断伸长率有所提高，胶料硬度降低2度，胶料比重增加3.5%，DIN耐磨指数降低16.7%。
Ⅱ. 在标准配方中将N134炭黑减少75g，即50%，同时添加120g的无机炭黑进行替代，分析胶料性能时发现100%定伸应力和300%定伸应力降低40%，拉伸强度降低约25%，拉断伸长率提高14%，胶料硬度下降8度，约11%，胶料密度增加6%，耐磨指数下降32%。
四.实验结论
1. 无机炭黑应用于胶料标准配方中，全部替代时，不论是哪种炭黑对比，其100%定伸应力、300%定伸应力均有较大下降，下降约70%，拉伸强度下降约25%，硬度下降11-15%，胶料的密度增加约5-10%，耐磨指数降低了30-40%。胶料密度增加，胶料体积变小，相对于轮胎来说，单位体积的轮胎重量增加，成本提高。
2. 无机炭黑应用于标准胶料配方中部分替代炭黑，无论与哪种炭黑进行比较，胶料的100%定伸、300%定伸、拉伸强度均有不同程度的降低，伸长率约有增加，胶料硬度降低，密度增加，耐磨指数下降。
3. 无机炭黑的补强性能较差，只能用于填充剂，且填充的量有限。
4. 无机炭黑可冲毁分替代N660炭黑，应用于内胎等，但其成本下降有限。不可能替代硬质炭黑应用于胎体胶及胎面胶中。
5. 无机炭黑的表面积太小，表面活性差，分散困难，在橡胶混炼过程中发现易粘滚，同时易断胶。
6. 无机炭黑的灰份太高，应用时需和轮胎厂的技术及配方人员交流。
7. 无机炭黑在目前的技术及品质下很难替代炭黑。
