朱永康 編譯 (中橡集團炭黑工業研究設計院，四川自貢 643000)
橡膠工業正在經歷這樣的一個階段：一方面，用戶需要價格具有競爭力的內胎、小型輪胎等常規產品;另一方面，原材料價格不斷呈現出跳躍式上漲，而該行業對于采用綠色清潔技術又有著諸多法律限制。在這種十分緊迫的情況下，橡膠技術人員當前所面臨的一大挑戰，是設計出一種采用再生橡膠或回收材料等綠色技術，成本最優而同時又能保持功能性/抗破壞性能的膠料。
通常情況下，再生橡膠是與高耐磨炭黑(HAF)這類補強填料組合用于膠料，而這類填料屬于化石原料產品。本研究致力于用50 phr通過綠色技術生產的回收炭黑替代HAF，通過實驗設計(DOE)來測定其在天然橡膠(NR)再生硫化膠中的功能特性，最終目標是使這種填料的添加量達到最佳化。
本研究使用了名為Hi-Green 炭黑的回收/綠色炭黑。據印度杉拓綠色能源公司(Shantol Green Energy (I) Pvt. Ltd)稱，這種綠色炭黑是通過熱催化解聚工藝(系該公司專有技術)生產出來的，該技術每天可以生產出30噸綠色炭黑，同時可減少二氧化碳(CO2)排放60噸左右。換句話說，生產或使用1噸Hi-Green 炭黑可減排2噸溫室氣體(CO2)，憑借這樣一種方式產生積極的環境效應。研究旨在用這種從廢輪胎生產的回收炭黑部分替代HAF炭黑(化石原料產品)，從而減少溫室氣體排放。此項工作通過智能/綠色配方技術來幫助降低膠料的成本，通過實驗設計軟件(DOE/DOX)進行了實驗研究和分析。
DOE是一種安排實驗和分析實驗數據的數理統計方法，主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗規模(試驗次數)、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結果以及得出科學的結論。這一重要工具的作用包括：提高產量、改善性能、減少質量波動、縮短新產品試驗周期、降低成本、延長產品壽命等等。在本研究中，利用這種DOE軟件來篩選和優化膠料配合及產品性能中任一因子的影響，通過以回收炭黑部分替代HAF，進而實現對傳統橡膠膠料性能的優化。
1實驗
用NR /再生膠(70:30)作為聚合物，使用的其它配合劑由標準供貨商提供，見表2。
膠料在標準實驗室用捏煉機(處理能力3L)上混合。板狀試樣和紐扣狀試樣在150°C模壓10min。全部測試均依照ASTM標準方法進行，其結果詳見附表3~表6所示。
2 通過DOE 進行 實驗分析
150°Cx15'條件下的流變性能如圖1~圖3所示。從一組分析來看(圖1)，用RC-665炭黑來替代25%的HAF是很容易的事情，不會影響彈性扭矩。
從T10%圖(圖2)可以看出，當我們用RC-665來替代 HAF時，這個值呈線性增大。這就意味著添加RC-665后，硫化反應略有延遲。為了保持同樣的硫化程度和硫化速率，技術人員可以選擇調整促進劑的用量。不過，盡管替代量達25%之多，安全焦燒時間卻并沒有明顯變化。因此，只要替代量不超過25%， RC-665便很容易替代HAF。
隨著HAF被RC-665替代，T90%的值呈現出線性增大(圖3);但是只要替代量不超過25%，HAF就很容易被RC-665替代。
100°C時的門尼粘度示于圖4。當用RC-665替代HAF時，門尼粘度呈線性下降;但是只要替代量不超過25%，便不會有太大的變化——例如在25%以內，HAF就十分容易被RC-665替代。
初始物理性能(在150°Cx 0’，對板狀和紐扣狀試樣進行模壓)如圖5~圖7所示。用RC-665替代HAF證實了其呈現線性下降，但是當替代量保持在25%以內時，未曾觀察到有明顯的變化(圖5)。
隨著HAF被RC-665炭黑替代，膠料的拉伸強度呈線性下降，不過只要替代量不超過25%， HAF就很容易被RC-665替代 (圖6)。
當用RC-665替代HAF時，扯斷伸長率呈線性增大 (圖7)。這是因為硫化狀態和硬度呈線性降低;但只要替代量不超過25%，HAF就很容易被RC-665替代。扯斷伸長率增大也表明這種回收炭黑中存在少量白炭黑。
我們不妨來看一下壓縮永久變形分析(圖8)。當用RC-665替代HAF時，所有膠料的壓縮永久變形均增大了5~6個單位。因此，必須通過調整硫黃/促進劑比例，來調整膠料的壓縮永久變形。
動態性能分析如圖9~圖12所示。當用RC-665替代HAF時，疲勞破壞循環次數呈線性減少;但只要替代量不超過25%， HAF就很容易被RC-665替代(圖9)。FTFT(疲勞破壞試驗)試樣的熱老化表明，用RC-665替代25%的HAF并不會改變這一結論。
應力松弛方程衰變常數(λ)是用Ektron門尼粘度計來測量的。當用RC-665替代HAF時，衰變常數減小 (注:衰減常數值越大，應力松弛時間越長) 。從實驗不難看出，HAF的應力松弛優于回收炭黑。但是，以這種回收炭黑替代25%的HAF或許是一個可靠的選項(圖10)。
圖11示出了FTFT與拉伸強度相互關聯的情況。從該圖可以看出，當用RC-665替代HAF時， FTFT循環次數和拉伸強度值呈線性下降;但只要替代量保持在25%以內，即可用RC-665安全地替代HAF。
當用RC-665替代HAF時，tanδL和線性衰變常數值呈線性減小 (圖12)
3 結 語
實驗結果表明，當用RC-665替代HAF時，流變特性、拉伸性能和動態性能惡化;但根據本文中所介紹的模型，觀察到的現象使我們得出了這樣的結論：除了影響壓縮永久變形性能外——這需要通過調整硫化助劑(如硫黃/促進劑比)來優化，可以安全地用RC-665替代25%的HAF。建議在評估功能特性的要求后，根據具體產品進行特定的配合，利用測試和試驗來確定替代方案。這樣的替代無疑有助于保護自然資源，減少溫室氣體排放，最終目標是保護地球母親，降低膠料成本，為利用廢棄物作為有用的配合材料開辟一個新領域，
參考文獻：
[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
