韩晶杰1,吴驰飞1,徐 娟2(1.华东理工大学材料科学与工程学院,上海 200237; 2.江西耐普实业有限公司,江西上饶 334100)
摘要:通过改性方法制备出一种绿色炭黑,并将绿色N330和绿色N220分别添加到天然橡胶和丁苯橡胶中,研究了各自硫化橡胶的生热、动态力学及疲劳性能,证明绿色炭黑具有低生热、低滚动阻力和高回弹性等优异性能,具有优异的加工性能,可实现高效低温炼。
关键词:绿色炭黑;天然橡胶;丁苯橡胶;性能
炭黑是应用最早的纳米级工业粉体材料。从第一次世界大战期间作为橡胶补强填料以来,炭黑一直广泛应用于世界橡胶工业。因为有无法比拟的补强效果,故其在橡胶工业中的地位是不可代替的。然而,目前商业炭黑还存在着一些问题,如还有待进一步降低滚动阻力、提高抗湿滑性等。为解决这些问题,国外开发了低滞后炭黑和转化炭黑,但炭黑的力学性能受到一定影响。
在炭黑改性方面,科学家们也做了大量的研究,因其多为液相中的改性,成本比较高,不适宜扩大规模。笔者曾提出“乙烯基单体原位固态接枝改性炭黑的方法”,并报道了马来酸酐改性炭黑、丙烯酸丁酯改性炭黑对天然橡胶粘合及动态力学性能的影响。现介绍一种通过全新改性方法制备的炭黑。其最大工艺特点是可以将炭黑改性剂加入到用于湿法造粒的水中,经湿法造粒工艺过程实现改性炭黑的工业化生产。我们称该种改性炭黑为“绿色炭黑”,有以下几点原因:
1.低滚动阻力,降低油耗,减少温室气体排放;
2.颗粒有一定刚度,加工过程中不飞扬,经辊压后即成片状,吃粉快,易分散,改善生产及加工环境;
3.成倍提高橡胶制品的疲劳寿命,减少橡胶废弃物。
绿色炭黑的主要性能特点有以下几方面:
1.低生热、低滚动阻力、高回弹性;
2.高拉伸强度、高拉断伸长率、与金属的高粘合强度;
3.颗粒有一定刚度,加工过程中不飞扬,加工性能好,吃粉快,改善生产及加工环境,提高炼胶效率;
4.基于其优异的加工性能,有可能实现高效低温炼胶,从而推动实现橡胶工业高效连续“流水生产线”的开发。
1实验部分
1. 1原料
天然橡胶(烟片胶),丁苯橡胶,市售产品;炭黑,上海立事化工股份有限公司和上海卡博特炭黑有限公司产品;促进剂DM、促进剂CZ、防老剂4010NA、不溶性硫黄IS-60、氧化锌、硬脂酸等均为商业产品;绿色改性炭黑,自制。
1. 2试样制备
基本配方:橡胶 100,炭黑 65,氧化锌 8,硬脂酸 2,防老剂 2,促进剂CZ 0. 6,促进剂DM 0. 6,不溶性硫黄IS-60 2. 5。
在Φ160双辊开炼机(152mm×305mm)上制备混炼胶,辊筒速比为1: 1. 42。加料顺序为:橡胶→小料→炭黑→硫黄,胶料放置过夜后硫化、测试。实验设备包括: 160双辊开炼机(152mm×305mm)、25t平板硫化机、Haak混炼机和RPA2000。
1. 3测试与分析
采用日本UBM RheogelE4000动态力学分析仪对硫化胶进行动态力学测试分析。测试条件:频率11Hz,温度-90℃~+120℃,升温速率每分钟3℃,采用拉伸夹具。
2结果与讨论
2.1绿色炭黑对橡胶混炼过程中胶料生热的影响
图1是商品炭黑N330与绿色改性炭黑N330(GN330)在混炼过程中生热曲线对比。可以看出,混炼开始后,添加商品炭黑的胶料温度迅速上升,而添加绿色炭黑的胶料温度上升缓慢。两个样品混炼时间相同,混炼结束时,添加商品炭黑N330的胶料温度为129. 9℃,而添加绿色炭黑的胶料温度仅为109. 4℃。
2.2绿色炭黑N330对硫化天然橡胶动态力学性能的影响
从图2和表1可以看出, 60℃时绿色炭黑GN330比商业炭黑N330的tanδ值明显降低,降低约20%,说明改性明显降低了炭黑N330的滚动阻力;同时胶料90℃的tanδ值降低约17.6%,说明绿色炭黑的添加使胶料的疲劳生热大幅降低。2.3绿色炭黑N220对硫化丁基橡胶动态力学性能的影响
从图3和表2可以看出, 60℃时绿色炭黑N220(GN220)比商业炭黑N220的tanδ值明显降低,降低约20%,说明与炭黑N220相比,绿色炭黑明显降低了硫化丁苯橡胶的滚动阻力;同时胶料90℃的tanδ值降低约26. 5%,说明绿色炭黑还大幅降低了胶料的疲劳生热。
2. 4绿色炭黑对硫化天然橡胶力学性能及动态疲劳性能的影响
从表3所列数据可以看出,对于同样的配方,以绿色炭黑代替普通商业炭黑后,硫化胶的拉伸强度、拉断伸长率、300%定伸应力、回弹性、与金属粘合强度均有明显提高,硬度略有降低。
图4和图5是采用绿色炭黑开发的某橡胶制品与美国样品疲劳实验后的实物照片。可见,采用绿色炭黑的橡胶制品,最大生热比采用普通炭黑降低约44%以上,疲劳寿命提高约5倍;与美国样品相比,最大生热降低33%以上,疲劳寿命提高50%以上。
3结论
1.绿色炭黑N330能大幅降低硫化天然橡胶的滚动阻力、疲劳生热。
2.绿色炭黑N220可大幅降低硫化丁苯橡胶的滚动阻力、疲劳生热,并对胶料抗湿滑性能稍有提高。
3.绿色炭黑的性能取决于炭黑的牌号、生产厂家、改性剂配方及所采用的橡胶品种。
