朱永康 编译 (中橡集团炭黑工业研究设计院，四川自贡 643000)
橡胶工业正在经历这样的一个阶段：一方面，用户需要价格具有竞争力的内胎、小型轮胎等常规产品;另一方面，原材料价格不断呈现出跳跃式上涨，而该行业对于采用绿色清洁技术又有着诸多法律限制。在这种十分紧迫的情况下，橡胶技术人员当前所面临的一大挑战，是设计出一种采用再生橡胶或回收材料等绿色技术，成本最优而同时又能保持功能性/抗破坏性能的胶料。
通常情况下，再生橡胶是与高耐磨炭黑(HAF)这类补强填料组合用于胶料，而这类填料属于化石原料产品。本研究致力于用50 phr通过绿色技术生产的回收炭黑替代HAF，通过实验设计(DOE)来测定其在天然橡胶(NR)再生硫化胶中的功能特性，最终目标是使这种填料的添加量达到最佳化。
本研究使用了名为Hi-Green 炭黑的回收/绿色炭黑。据印度杉拓绿色能源公司(Shantol Green Energy (I) Pvt. Ltd)称，这种绿色炭黑是通过热催化解聚工艺(系该公司专有技术)生产出来的，该技术每天可以生产出30吨绿色炭黑，同时可减少二氧化碳(CO2)排放60吨左右。换句话说，生产或使用1吨Hi-Green 炭黑可减排2吨温室气体(CO2)，凭借这样一种方式产生积极的环境效应。研究旨在用这种从废轮胎生产的回收炭黑部分替代HAF炭黑(化石原料产品)，从而减少温室气体排放。此项工作通过智能/绿色配方技术来帮助降低胶料的成本，通过实验设计软件(DOE/DOX)进行了实验研究和分析。
DOE是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法，主要对试验进行合理安排，以较小的试验规模(试验次数)、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的试验结果以及得出科学的结论。这一重要工具的作用包括：提高产量、改善性能、减少质量波动、缩短新产品试验周期、降低成本、延长产品寿命等等。在本研究中，利用这种DOE软件来筛选和优化胶料配合及产品性能中任一因子的影响，通过以回收炭黑部分替代HAF，进而实现对传统橡胶胶料性能的优化。
1实验
用NR /再生胶(70:30)作为聚合物，使用的其它配合剂由标准供货商提供，见表2。
胶料在标准实验室用捏炼机(处理能力3L)上混合。板状试样和纽扣状试样在150°C模压10min。全部测试均依照ASTM标准方法进行，其结果详见附表3~表6所示。
2 通过DOE 进行 实验分析
150°Cx15'条件下的流变性能如图1~图3所示。从一组分析来看(图1)，用RC-665炭黑来替代25%的HAF是很容易的事情，不会影响弹性扭矩。
从T10%图(图2)可以看出，当我们用RC-665来替代 HAF时，这个值呈线性增大。这就意味着添加RC-665后，硫化反应略有延迟。为了保持同样的硫化程度和硫化速率，技术人员可以选择调整促进剂的用量。不过，尽管替代量达25%之多，安全焦烧时间却并没有明显变化。因此，只要替代量不超过25%， RC-665便很容易替代HAF。
随着HAF被RC-665替代，T90%的值呈现出线性增大(图3);但是只要替代量不超过25%，HAF就很容易被RC-665替代。
100°C时的门尼粘度示于图4。当用RC-665替代HAF时，门尼粘度呈线性下降;但是只要替代量不超过25%，便不会有太大的变化——例如在25%以内，HAF就十分容易被RC-665替代。
初始物理性能(在150°Cx 0’，对板状和纽扣状试样进行模压)如图5~图7所示。用RC-665替代HAF证实了其呈现线性下降，但是当替代量保持在25%以内时，未曾观察到有明显的变化(图5)。
随着HAF被RC-665炭黑替代，胶料的拉伸强度呈线性下降，不过只要替代量不超过25%， HAF就很容易被RC-665替代 (图6)。
当用RC-665替代HAF时，扯断伸长率呈线性增大 (图7)。这是因为硫化状态和硬度呈线性降低;但只要替代量不超过25%，HAF就很容易被RC-665替代。扯断伸长率增大也表明这种回收炭黑中存在少量白炭黑。
我们不妨来看一下压缩永久变形分析(图8)。当用RC-665替代HAF时，所有胶料的压缩永久变形均增大了5~6个单位。因此，必须通过调整硫黄/促进剂比例，来调整胶料的压缩永久变形。
动态性能分析如图9~图12所示。当用RC-665替代HAF时，疲劳破坏循环次数呈线性减少;但只要替代量不超过25%， HAF就很容易被RC-665替代(图9)。FTFT(疲劳破坏试验)试样的热老化表明，用RC-665替代25%的HAF并不会改变这一结论。
应力松弛方程衰变常数(λ)是用Ektron门尼粘度计来测量的。当用RC-665替代HAF时，衰变常数减小 (注:衰减常数值越大，应力松弛时间越长) 。从实验不难看出，HAF的应力松弛优于回收炭黑。但是，以这种回收炭黑替代25%的HAF或许是一个可靠的选项(图10)。
图11示出了FTFT与拉伸强度相互关联的情况。从该图可以看出，当用RC-665替代HAF时， FTFT循环次数和拉伸强度值呈线性下降;但只要替代量保持在25%以内，即可用RC-665安全地替代HAF。
当用RC-665替代HAF时，tanδL和线性衰变常数值呈线性减小 (图12)
3 结 语
实验结果表明，当用RC-665替代HAF时，流变特性、拉伸性能和动态性能恶化;但根据本文中所介绍的模型，观察到的现象使我们得出了这样的结论：除了影响压缩永久变形性能外——这需要通过调整硫化助剂(如硫黄/促进剂比)来优化，可以安全地用RC-665替代25%的HAF。建议在评估功能特性的要求后，根据具体产品进行特定的配合，利用测试和试验来确定替代方案。这样的替代无疑有助于保护自然资源，减少温室气体排放，最终目标是保护地球母亲，降低胶料成本，为利用废弃物作为有用的配合材料开辟一个新领域，
参考文献：
[1] Ajay Singh. Optimization of Properties of a Conventional Rubber Compound through Partial Replacement of HAF with Recycled/green Carbon Black[J].Rubber World，2017，255(5)，44-48
[2] D.Pantea et al. Heat treatment of carbon blacks obtained by pyrolysis of used tires:Effect on the surface chemistry, porosity and electrical conductivity. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2003，67，55-76
