林雅铃,张安强,王炼石,周奕雨(华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州 510640)
摘要:研究炭黑填充型非硫黄调节型粉末CR[简称P(CR/N330)]中炭黑N330的分散性。结果表明,使用包覆剂和增大分散剂的用量可有效提高炭黑N330在P(CR/N330)中的分散性,减轻或消除P(CR/N330)的接触污染性;有接触污染性的P(CR/N330)粒子表面和内部存在游离的炭黑团粒,无接触污染性的P(CR/N330)粒子表面和内部均较为光滑,无游离的炭黑团粒存在。
关键词:粉末CR;包覆剂;高耐磨炭黑;分散剂;分散性
中图分类号:TQ330.38+1;TQ333.5文献标识码:A文章编号:1000-890X(2005)05-0266-04
CR主要用于制造胶管、胶带、化工设备衬里、电线电缆及耐油制品等。在使用过程中,绝大多数场合需要采用炭黑填充,以达到提高性能和降低成本的目的[1~5]。但由于炭黑在CR中的分散性较差,导致胶料加工较困难[2,3]。以往的研究[6~11]表明,通过将炭黑与胶乳混合后经粉末化技术制备成炭黑填充型粉末橡胶,可以有效提高炭黑在橡胶基体中的分散性,从而改善炭黑填充胶的加工性能,并可获得具有优良性能的硫化胶。研究炭黑填充型粉末CR的制备、结构与性能,有助于拓展通用型粉末CR的应用范围[8,12~15]。本工作在制备炭黑填充型非硫黄调节型粉末CR[简称P(CR/N330)]的基础上,研究炭黑N330在P(CR/N330)中的分散性,为填充型粉末橡胶的工业化提供参考。
1 实验
1.1 原材料
CR胶乳,牌号CR231,固形物质量分数约为0.32,重庆长寿化工有限责任公司产品;炭黑N330,上海立事化工实业有限公司产品;包覆剂,采用乙烯基单体,通过自由基聚合而成,自制;分散剂,经改性的非离子型表面活性剂,自制;其它原材料均为橡胶工业常用原材料。
1.2 试样制备
在分散剂的水溶液中加入炭黑,搅拌30 min后加入胶乳和包覆剂,混合均匀,水浴加热至85℃并恒温搅拌25 min。采用逆凝聚成粉工艺,将上述配合胶乳通过可调节流量的导管匀速注入到80~90℃高速搅拌的氯化钙水溶液(质量分数为0.01)中,水浴加热,保持水温为70~90℃,陈化10~30 min后排料,洗涤、过滤、筛分,将所得产物置于85℃恒温鼓风干燥箱中干燥至水分质量分数在0.01以下,即得到P(CR/N330)。
1.3 性能测试
(1)P(CR/N330)接触污染性的评定
P(CR/N330)的接触污染性分为0~4级。其中,0级表示无接触污染性,4级表示接触污染性最大。评定方法:将少许P(CR/N330)置于白纸上,用手指紧压并来回搓动,如果白纸和手指极黑,就认为接触污染性严重,评为4级;如果白纸没有染上炭黑而保持白色,则说明无接触污染性,评为0级;其它级别依此类推[10,11]。
(2)P(CR/N330)的微观形貌与能谱分析
采用荷兰菲利浦公司XL30 FEG型扫描电子显微镜(SEM)观察P(CR/N330)的微观形貌,试样观察前作喷金处理;采用XL30 FEG型SEM附带的DX4I型能谱分析仪(美国EDAX公司产品)对试样表面指定区域作能谱分析。
2 结果与讨论
2.1 P(CR/N330)接触污染性的影响因素接触污染性指炭黑填充型粉末橡胶粒子表面的游离炭黑对其所接触物品的污染性。接触污染性可以作为炭黑在填充型粉末橡胶中分散性的一个宏观指标。炭黑填充型粉末橡胶的接触污染性大不仅会造成混炼时炭黑飞扬,还会对硫化胶的物理性能产生不利影响。
2.1.1 分散剂
研究[13~15]表明,在制备过程中添加分散剂有助于降低产物的接触污染性。炭黑与水的相容性很差,加入分散剂可以有效改善炭黑与水的相容性,形成相对稳定的炭黑乳液[9~11,16]。未添加包覆剂时,分散剂用量对P(CR/N330)接触污染性的影响如表1所示。
从表1可以看出,随着分散剂用量的增大,P(CR/N330)的接触污染性显著降低,当分散剂/炭黑质量比为0.12时,产物已没有接触污染性,但产物的粒径大小不一,范围在2~6 mm。
2.1.2 包覆剂
为了得到粒径及其分布合理的粉末橡胶,根据前期工作,选用玻璃化温度(Tg)分别为55.3和84.2℃的两种包覆剂(分别表示为M7和M8)对P(CR/N330)进行包覆。包覆剂对P(CR/N330)接触污染性的影响如表2所示。
从表2可以看出,当分散剂/炭黑质量比为0.10时,加入10或15份的包覆剂M7或M8均可得到无接触污染性的P(CR/N330)。说明加入包覆剂不仅可以得到粒径及其分布合理的P(CR/N330),并且有助于消除产物的接触污染性。
2.2 P(CR/N330)的SEM分析和能谱分析
2.2.1 有接触污染性的P(CR/N330)
有接触污染性的P(CR/N330)粒子的SEM照片如图1所示,粒子表面能谱分析如表3所示。
从图1和表3可以看出,有接触污染性的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体,能谱分析发现这些球体的碳元素含量很高,说明这些突出的球体主要为未分散的炭黑团粒;粒子截面中存在大量孔洞和空隙,说明P(CR/N330)宏观粒子由多颗细小的初级粒子在凝聚过程中聚集、粘结而形成;对图1(d)中的深色部分(A区域)和浅色部分(B区域)进行表面能谱分析,发现B区域的碳元素含量很高,说明浅色部分主要为炭黑团粒。综上所述,具有接触污染性的P(CR/N330)粒子表面和内部均存在着游离的炭黑团粒,说明炭黑尚未均匀分散到橡胶基体中,这是造成接触污染的直接原因。
2.2.2 无接触污染性的P(CR/N330)
无接触污染性的P(CR/N330)粒子的SEM照片如图2所示,粒子表面能谱分析如表4所示。从图2和表4可以看出,无接触污染性的P(CR/N330)粒子的表面钙元素含量高于粒子内部,这说明P(CR/N330)粒子凝聚形成后,其表面被充分钙化,实现了粒子的包覆和粒子间的相互隔离。与有接触污染性的P(CR/N330)粒子相比,无接触污染性的P(CR/N330)粒子表面和截面均较为光滑,未能观察到游离炭黑团粒的存在,说明炭黑在CR基体中得到了较好的分散,并被橡胶包埋,从而有效地消除了粒子的接触污染性。
3 结论
(1)增大分散剂的用量,可降低P(CR/N330)的接触污染性,提高炭黑的分散性,在无包覆剂条件下,当分散剂/炭黑质量比为0.12时,P(CR/N330)无接触污染性。
(2)使用包覆剂有助于消除P(CR/N330)的接触污染性。
(3)有接触污染性的P(CR/N330)粒子表面和内部存在游离的炭黑团粒,炭黑尚未均匀分散到橡胶基体中;无接触污染性的P(CR/N330)粒子表面和内部均较为光滑,无游离炭黑团粒存在,
炭黑在橡胶基体中分散良好,并被橡胶包埋。
