陈新中
炭黑是橡胶工业主要的补强剂和填充剂,仅次于生胶居橡胶原材料的第二位。炭黑加入橡胶后,可以改善胶料的性能,如提高轮胎的耐磨性、抗湿滑性,极大提高轮胎的行驶里程。但是在胎面胶加工过程中,高表面积、高结构及高配合量的炭黑加入又会增加胶料发生焦烧的危险性。如何在胎面胶中使用高配合量的炭黑,既提高胶料的性能,又降低轮胎的成本,是橡胶工作者关注的问题,本文仅从炭黑的性能指标方面探讨炭黑对胶料焦烧性能的影响。
一、炭黑性能指标对胶料焦烧性能
影响依据
胶料的焦烧是指胶料在存放或操作过程中产生早期硫化的现象。配合炭黑的胶料在加工过程中因生热而有可能发生焦烧。炭黑在硫化反应时的作用如同催化剂,使硫化起始反应更快发生。炭黑在硫化反应中主要影响项目有焦烧时间、硫化速度及最大扭力距。炭黑的比表面积、结构、表面酸碱性、表面活性均影响胶料的焦烧时间及硫化速率。炭黑比表面积越高,结构性越高,胶料的焦烧时间越短,硫化速度越快;炭黑的表面酸碱度(pH)越低,焦烧时间越长,硫化速度越慢。槽法炭黑具有迟延硫化的作用,一般不易引起焦烧。炉法炭黑呈碱性,具有促进硫化的作用,容易引起焦烧;炭黑的表面活性越高,胶料的焦烧时间越长,硫化速度越慢。
二、实验
1.同品种炭黑,不同的表面积、结构、pH值和挥发份的N220炭黑对胎面胶料焦烧时间的影响配方:天然橡胶60,顺丁橡胶40,硫黄1.4,促进剂MBS 0.8,氧化锌4.0,硬脂酸2.0,防老剂PANA 1.0,防老剂CPPD 1.0,防老剂BLE 1.0,石蜡1.0,N220炭黑70,操作油10,防焦剂PVI(选用)。
按照以上配方,其他原材料不变,改用不同产地及指标的N220炭黑,用MDR2000硫变仪,测量188℃下硫化速度;用EKT2001M门尼粘度仪,测138℃下焦烧时间。同品种N220炭黑对焦烧时间的影响见表1。
由表1可以看出,炭黑的吸碘值、吸收值越高,胶料的焦烧时间越长;炭黑的pH值越高,胶料焦烧时间越短;炭黑的挥发份越高,胶料的焦烧时间越长。炭黑的着色强度反应的是炭黑原生粒子凝聚体尺寸分布,炭黑的凝聚体尺寸分布较窄时,着色强度高,填充此种炭黑的胶料焦烧时间短;炭黑的凝聚体尺寸较大、分布较宽时,生热性低,填充此炭黑的胶料焦烧时间长,这是因为大凝聚体中间的空隙可以有效地容纳小凝聚体,难以生成网络,而网络是滞后的主要原因,所以生热低,焦烧时间长。
2.不同品种炭黑对胎面胶胶料焦烧性能的影响由于轮胎的胎面胶要求有较好的耐磨性,因此所选用的炭黑只能是N115、N234、N220等超耐磨和中超耐磨炭黑,仅以此三种炭黑对胶料焦烧时间的影响进行分析。
配方:天然橡胶30,丁苯橡胶35,顺丁橡胶35,硫黄0.8,氧化锌3.0,硬脂酸2.0,促进剂CBS2.0,防老剂CPPD 1.5,防老剂PBNA 1.0,石蜡1.0,六线油10,炭黑份数因品种而不同。
上述配方在其他条件相同时,仅改变炭黑的品种,N115炭黑因其具有很高的比表面积,分散相对困难,因此将其用量减少5份,而N234与N220炭黑均采用55质量份。三种炭黑指标及其胎面胶硫变及门尼数据见表2。
由以上实验数据可知,N115炭黑虽然在此种配方胶料中所加的质量份较低,但因其表面积非常高,其焦烧时间最短,扭力距最高,而N234炭黑与N220炭黑虽然吸碘值相近,但结构性存在差异,真实的氮吸附比表面积N234比N220高,同时N234炭黑的聚集体尺寸分布及大小均比N220炭黑窄和小,因此N234炭黑的焦烧时间比N220炭黑短。从硫化速度分析,N115炭黑最快,N234炭黑居中,而N220炭黑最短。
3.采用不同的原料油生产的同种N220炭黑,其焦烧时间及硫化速度的比较
配方:天然橡胶(烟片胶)100,硫黄2.50,氧化锌5.00,硬脂酸3.00,促进剂DM 0.60,N220炭黑50。不同原料油配比生产的N220炭黑指标及胶料物性分析数据见表3。
由表3可以看出,使用煤焦油生产N220炭黑时,虽然吸碘值、DBP吸收值及pH值与使用蒽油及乙烯焦油相近,但着色强度(聚集体尺寸分布)较低,挥发份含量较低,表现在胶料的物性上,焦烧时间较短,硫化速度较快。着色强度较低时,从理论上看应该胶料焦烧时间长,但实际实验中,用煤焦油生产的炭黑胶料焦烧时间短,这应该是由于采用煤焦油生产的炭黑表面活性较低,炭黑的表面官能团少,与橡胶间交联密度低所致。
同时还可以看出,填充用乙烯与蒽油配成混合油生产的N220炭黑的胶料,其焦烧时间最长,硫化速度最慢,加工安全性最好。
三、结论
炭黑对胶料焦烧性能的影响不仅与炭黑的比表面积、结构、聚集体尺寸分布、表面活性有关,而且与炭黑所使用的原料种类有关。当然炭黑对胶料焦烧性能的影响较小,影响胶料焦烧性的主要因素应该是配方设计、橡胶结构、硫化体系、软化剂和防老剂等,加入防焦剂能防止胶料发生焦烧。
