① 陳新中 ①孟巧玲 ②陳嘉璇(① 東耐斯特炭黑有限公司，②山東濰坊學(xué)院)
一. 前言
無(wú)機(jī)炭黑是以優(yōu)質(zhì)電廠粉煤灰為基礎(chǔ)材料、以改性高分子材料為成核劑并通過(guò)堿性偶聯(lián)劑、酸性偶聯(lián)劑、復(fù)合偶聯(lián)劑對(duì)微珠進(jìn)行表面改性、微細(xì)化處理、離子分離、表面修飾、噴霧干燥處理等多種工藝復(fù)合而成的半合成、微納米級(jí)硅鋁氧化物粉末狀材料或干法造粒的小顆粒材料。無(wú)機(jī)炭黑呈多孔蜂窩狀圓球體結(jié)構(gòu)，粒徑則一般在 0.05-2μm 之間。其表面相對(duì)光滑的部分有孔狀結(jié)構(gòu)，微珠的內(nèi)部充滿了一些體積更小的珠體，形成了其多孔結(jié)構(gòu)，且里面充滿了二氧化碳和氮?dú)?。這樣的多孔結(jié)構(gòu)使得無(wú)機(jī)炭黑的比表面積很大，具有很好的吸附性能，吸附活性很高。橡膠分子鏈能夠插入其中，形成十分牢固的結(jié)合，從而提高橡膠的強(qiáng)度。為了驗(yàn)證無(wú)機(jī)炭黑的性能，本文以實(shí)驗(yàn)的方法研究,分析無(wú)機(jī)炭黑對(duì)橡膠性能的影響,以驗(yàn)證無(wú)機(jī)炭黑的使用前景及價(jià)值。
二. 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)以橡膠標(biāo)準(zhǔn)配方作為依據(jù)，通過(guò)對(duì)比N660、N339、N134及無(wú)機(jī)炭黑的膠料拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力和DIN磨耗數(shù)據(jù)，分析無(wú)機(jī)炭黑與炭黑之間對(duì)橡膠性能的影響，同時(shí)通過(guò)無(wú)機(jī)炭黑份量的變化研究其趨勢(shì)。表一為設(shè)計(jì)的無(wú)機(jī)炭黑及炭黑配方試驗(yàn)方案
一. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
1. 無(wú)機(jī)炭黑的分析數(shù)據(jù)
為了了解無(wú)機(jī)炭黑的粒徑及結(jié)構(gòu)，我們按照炭黑的分析方法對(duì)表征炭黑性能的幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如表2.
通過(guò)以上數(shù)據(jù)的分析表明：無(wú)機(jī)炭黑的粒徑太大，無(wú)法通過(guò)45μm篩余，其表面積太小，無(wú)法用吸碘值進(jìn)行表征，無(wú)機(jī)炭黑中含有46.9%的氧，在9500C高溫下會(huì)與其成份中的鋁等化合，導(dǎo)致其灰份長(zhǎng)虹高，甚至超過(guò)100%，灰份指標(biāo)將嚴(yán)重影響橡膠的老化性能。
2.無(wú)機(jī)炭黑填充膠料替代N660炭黑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
由上表可以看出：加入同等的N660和無(wú)機(jī)炭黑配方中，加入N660炭黑的膠料100%定伸應(yīng)力是加入無(wú)機(jī)炭黑的3倍多，300%定伸應(yīng)力相差約5倍;拉伸強(qiáng)度加入N660炭黑的膠料也明顯高于無(wú)機(jī)炭黑的膠料，膠料硬度方面，加入無(wú)機(jī)炭黑后明顯提升，不是生產(chǎn)廠家所說(shuō)降低膠料的比重;特別表現(xiàn)在耐磨性上，從DIN磨耗指數(shù)上分析，加入N660炭黑的磨耗指數(shù)是加入無(wú)機(jī)炭黑膠料的122.8%，無(wú)法替代N660炭黑在膠料中直接應(yīng)用。
改變無(wú)機(jī)炭黑的添加量，減少無(wú)機(jī)炭黑，增加N660炭黑進(jìn)行膠料實(shí)驗(yàn)對(duì)比，其結(jié)果如表4.
由上表可以看出：在配方中添加80份無(wú)機(jī)炭黑替代50份N660炭黑時(shí)，雖然膠料硬度相當(dāng)，但其100%定伸應(yīng)力和300%定伸應(yīng)力仍相差40%左右，拉伸強(qiáng)度相差3.5Mpa，磨耗指數(shù)相差15%，繼續(xù)減少無(wú)機(jī)炭黑添加量，增加炭黑添加量時(shí)，膠料硬度硬度上升，但拉伸強(qiáng)度下降，100%定伸和300%定伸均出現(xiàn)上升，耐磨性提高，磨耗指數(shù)增加。表明無(wú)機(jī)炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能較差，耐磨性差。
3. 無(wú)機(jī)炭黑替代N339應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)膠料配方中性能影響
為了研究無(wú)機(jī)炭黑填充膠料的耐磨性能，我們與其N339炭黑的膠料性能進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)采用全部替代和部分替代N339炭黑進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表5
由上表可以得出如下結(jié)論：
Ⅰ.標(biāo)準(zhǔn)配方中用100gN339炭黑+100g無(wú)機(jī)炭黑替代150gN339炭黑，腦炎料的100%定伸應(yīng)力和300%定伸應(yīng)力均下降約30%，拉伸強(qiáng)度下降約23%，膠料比重增加6.4%，膠料硬度降低2.5度，DIN磨耗指數(shù)下降27.22%，表明無(wú)機(jī)炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能差，分散性能也比較差。
Ⅱ.標(biāo)準(zhǔn)配方中用200g無(wú)機(jī)炭黑替代150gN339炭黑，膠料的100%定伸應(yīng)力和300%定伸應(yīng)力僅只有1/3，下降了約70%，拉伸強(qiáng)度下降了1/4，膠料硬度下降了16度，但膠料的比重增加了9%，DIN磨耗指數(shù)下降了50%，下降比例為36%。
4、無(wú)機(jī)炭黑替代N134炭黑，應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)配方中對(duì)膠料性能影響
為了研究無(wú)機(jī)炭黑在胎面膠中性能，我們使用標(biāo)準(zhǔn)配方進(jìn)行比較，以公司開(kāi)發(fā)的N134炭黑進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究定伸應(yīng)力，拉伸強(qiáng)度、膠料邵氏硬度、膠料比重及DIN磨耗指數(shù)，分析無(wú)機(jī)炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能。表6為無(wú)機(jī)炭黑部分替代N134炭黑，對(duì)膠料性能影響結(jié)果。
由上表數(shù)據(jù)可以分析如下：
Ⅰ. 在標(biāo)準(zhǔn)配方中將N134炭黑減少30g，添加60g無(wú)機(jī)炭黑，即改變炭黑量為20%時(shí)，100%定伸應(yīng)力和300%定伸應(yīng)力下降約25%，拉伸強(qiáng)度下降10%，拉斷伸長(zhǎng)率有所提高，膠料硬度降低2度，膠料比重增加3.5%，DIN耐磨指數(shù)降低16.7%。
Ⅱ. 在標(biāo)準(zhǔn)配方中將N134炭黑減少75g，即50%，同時(shí)添加120g的無(wú)機(jī)炭黑進(jìn)行替代，分析膠料性能時(shí)發(fā)現(xiàn)100%定伸應(yīng)力和300%定伸應(yīng)力降低40%，拉伸強(qiáng)度降低約25%，拉斷伸長(zhǎng)率提高14%，膠料硬度下降8度，約11%，膠料密度增加6%，耐磨指數(shù)下降32%。
四.實(shí)驗(yàn)結(jié)論
1. 無(wú)機(jī)炭黑應(yīng)用于膠料標(biāo)準(zhǔn)配方中，全部替代時(shí)，不論是哪種炭黑對(duì)比，其100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力均有較大下降，下降約70%，拉伸強(qiáng)度下降約25%，硬度下降11-15%，膠料的密度增加約5-10%，耐磨指數(shù)降低了30-40%。膠料密度增加，膠料體積變小，相對(duì)于輪胎來(lái)說(shuō)，單位體積的輪胎重量增加，成本提高。
2. 無(wú)機(jī)炭黑應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)膠料配方中部分替代炭黑，無(wú)論與哪種炭黑進(jìn)行比較，膠料的100%定伸、300%定伸、拉伸強(qiáng)度均有不同程度的降低，伸長(zhǎng)率約有增加，膠料硬度降低，密度增加，耐磨指數(shù)下降。
3. 無(wú)機(jī)炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能較差，只能用于填充劑，且填充的量有限。
4. 無(wú)機(jī)炭黑可沖毀分替代N660炭黑，應(yīng)用于內(nèi)胎等，但其成本下降有限。不可能替代硬質(zhì)炭黑應(yīng)用于胎體膠及胎面膠中。
5. 無(wú)機(jī)炭黑的表面積太小，表面活性差，分散困難，在橡膠混煉過(guò)程中發(fā)現(xiàn)易粘滾，同時(shí)易斷膠。
6. 無(wú)機(jī)炭黑的灰份太高，應(yīng)用時(shí)需和輪胎廠的技術(shù)及配方人員交流。
7. 無(wú)機(jī)炭黑在目前的技術(shù)及品質(zhì)下很難替代炭黑。
