炭黑性质对胶料焦烧性能的影响

yokon

网上找的，非原创。
1  前言

: x+ j0 P: ^' ?% x+ `    炭黑是橡胶工业主要的补强剂和填充剂，特别是对轮胎起着非常重要的作用。炭黑是仅次于生胶的第二位橡胶原材料，不加炭黑的纯丁苯橡胶的硫化胶，其强度很低，没有实用价值。当加入适当的炭黑后，其硫化胶的强度提高10倍多。典型的轿车胎中，一般需要用4-5个炭黑品种，用量约占轿车胎总重量的25%-30%。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，既不降低胶料的性能，又会降低轮胎的成本，是橡胶工作者应关注的问题，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。
8 [0 N" r8 Q' r2 P
    2  炭黑性能指标对胶料焦烧性能影响依据
4 L0 T  o( |, ?
    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(如挤出、压延等)，胶料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值)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，具有促进硫化作用，容易引起焦烧；炭黑的表面活性越高，焦料的焦烧时间越长，硫化速度越慢。
1 ~6 O  @: V/ p
    3  实验
" ^6 B! n* R# r" z: |4 t
" L. J/ `# b2 u0 P. ]    3.1  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
  q) Y- S4 m- Q/ c. R' m
% K- k: S2 t) r" Y  g8 u* A2 t& F    配方示例：(质量份)

    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PANA1.0，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)。

* d7 @! O' N# I5 k1 U+ k" \0 M- P    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℃下硫化速度及用EKT2001M门尼粘度仪，测138℃下焦烧时间，测得的数据见表1。
. o+ ^% j/ n* W' j% E
' l5 V4 Q1 o7 c* }    表1  同品种N220炭黑对焦烧时间的影响
6 {9 q8 [0 W* k0 r
; Y5 [9 @7 l$ n( q0 P  w项目
测试结果
4 w- a# X; ~" y3 O0 u
A1
1 T. d4 {- S6 h A２
B
3 K; o3 Q# c; e  G, `/ e$ P3 K' j
吸碘值/(mg/g)
& d8 Q7 u$ O9 j0 P2 t" m 123
9 N/ ]5 ]+ ^& ?" x; Q6 Z 118
) c6 l& \) _. A* { 120

7 N6 {, Z# \. \) |& [! vDBP吸收值/(ml/100g)
115
, h9 e4 G" D+ z2 w$ w2 ?- } 111
113
1 ^! X3 H8 M% Q  P" f& _4 q
, I. @- o; x) D( KpH值
7.8
1 o/ P& t& J2 U+ F0 w& S# l8 U4 P 6.8
- a) |7 R: f/ @/ q 6.3
$ _% c! ^5 [" h+ m' z
, r3 G: `1 G$ K" A挥发份/%
' Q6 E  Z9 c% t- y+ k* z& W; v 0.9
1.5
% l, n1 f4 Q) i2 J3 I5 W/ T 1.2
* ~+ S0 `, k( h( Q+ U1 P& D2 r
8 V8 B* K8 m7 x  P/ k着色强度/%
116
110
3 C. A8 o- K" B+ d- l4 W 113
1 Q: W0 O# S9 Q8 g& C
硫化仪
% u( n$ m" x$ x5 J  
( |: O( |3 B$ h  K  O  
  

2 i  J3 W4 d/ ]) H9 aML/dNm
2.56
/ f* F4 ?4 ^" x- L$ G+ c0 g 2.52
# |- |: @* m5 n- C8 ?) J 2.65
' f+ O: D7 u7 j: k
% y3 c0 v; d" g- P. kMH/dNm
14.36
; m) h" W- U$ [/ o 14.88
* y$ _4 w$ `7 S* p" V- k 13.5

3 i+ ]- b) y, H8 t5 @Ts1/min
0.49
0.54
5 m7 |: H9 y6 X0 V+ V6 P( Q 0.54
* p! l( N. J* Y: W( x
T50/min
1.06
1.16
1.13
) B/ N- @) O9 T, U8 S
" w5 ^: w+ v6 V+ x' iT90/min
7 q8 {; G0 s5 P. C$ }* b 1.70
1.88
1.81

门尼焦烧时间
  
1 z  ~' }! j; R$ \  
6 X" @1 ?" m1 w* {7 b4 l/ S' C  

MV
" |3 J; E) |  I( D* F  [ 53.7
% e# b2 e% A! x, W. E 52.5
53.2

t5/min
9.90
7 D$ O( i9 D$ Q" J9 P 14.25
13.46
. \; ~, S7 k- d6 u/ w# w
' n! G  P# T, O1 ?- Z3 Gt35/min
16.83
% p5 b9 c5 h0 r% t0 }$ E$ U8 r 18.35
" j$ ?* B  T0 z' s. o9 n- P' S& H 18.11


    本中A、B表示产地，A1、A2表示A2两批不同指标产品。炭黑的表面活性借助于炭黑的PH值及挥发份反应出来。
4 S. `8 x' q% J8 D. ^. B$ p( {
8 a: z4 X8 d& x" L( J    由上表可以看出：炭黑的吸碘值、吸油值越高，胶料的焦烧时间越长，炭黑的pH值越高，胶料焦烧时间越短，炭黑的挥发分越高，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，填充此炭黑的胶料的焦烧时间长，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。

3 {" w2 t3 m0 L  j3 J    3.2  不同品种炭黑对胎面胶胶料焦烧性能的影响
5 E* g# v9 W# x0 A: I7 _8 V
* `4 [4 f5 H; w4 u    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，下面仅以此三种炭黑对胶料焦烧时间的影响进行分析。
! G  `/ R. p9 E" K+ N
: d" d$ o0 m0 b& o' B    配方示例：(质量份)

    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CBS 2.0，防老剂CPPD  1.5，防老剂PBNA  1.0，石蜡  1.0，六线油  10。

4 U( Q" b: R9 Y    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。表之列出了此三种炭黑指标及其胎面胶硫变及门尼数据。

    表2  三种炭黑指标及胎面胶物性分析数据表
; t+ a  ]3 P/ K' O
项目
' R5 W* z- d: `+ n& ^- m 测试结果

N115
" `5 ^3 a3 _, r0 s+ X7 q/ v4 t N234
N220
3 v" `% q) u) f# P% Z9 K
吸碘值/(mg/g)
6 X: G! [, H( u& t# u 161
0 K, |- d8 r; n5 G* ?, D6 h( i 120
121
' S- }. y- ^; q- ^
4 {* K1 ~8 Z( B# j! j  ?DBP吸收值/(ml/100g)
3 z7 Q% m) [, i, C, E 112
124
115

* Z5 ]4 c: u$ s% \# KpH
7.2
7.4
7.7
+ i4 o, e3 r8 `  ?% Q8 W. s8 e
挥发份/%
9 t( Y. T& c: ^; X- c 1.6
) C) g/ w' X- Q6 c5 z 1.2
1.0

) R8 Y7 T( Z) O; J2 U着色强度/%
123
123
114

硫化仪(170℃)
6 _- R8 E  m  g4 o8 \0 x6 |  
/ y! s* @7 \, ]9 q9 v2 r  
8 D( n& j/ s& \% V4 J  
  n0 ~: _* U+ }; R+ ~
ML/dNm
5.16
4.52
7 m- h, H$ O/ W' t+ K/ A 4.20
6 n( Q& q. P9 M
MH/dNm
19.26
17.83
17.04

1 p/ g0 K+ {; Y7 q1 o/ ]ts1/min
0-44
0-48
1 J4 C) u  ]9 g" q- _: A! J 0-50
2 t" |5 Y/ l4 K( w: O- }
) ^. Z& Q  w$ s* g7 Mt50/min
1-51
9 I0 V2 F% a& g) v 1-55
. a$ Z% }) K0 p& I$ f 1-57

3 S: Y. P9 x4 ^2 @  ^7 ~. O+ et90/min
3-40
2 E' ?( z6 w7 q+ C# F1 d7 o 3-48
3-54
! i/ Q; P# H! U7 _4 K& A7 i
门尼焦烧(127℃)
  
+ O5 P) T: _% Y' f/ w) K5 y  
1 l2 Q# @4 _1 @( _" q+ u  L  
% S* I! M' {4 o7 M+ U0 i8 B
/ A' t* t/ [: `; @2 _MV
+ C. k3 P$ I# j" r1 ?4 o. S9 U9 ` 61.3
62.1
60.2
; k9 h- a6 c9 a
$ n1 [  F% `9 K, D* Y: ct5/min
13.2
+ y$ {$ i* A$ s* q 14.8
15.5

0 P. W0 i4 B+ k% E; a: \t35/min
; L' Y0 V4 w. z* u4 s+ l 22.1
26.4
27.3


    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，扭力矩最高，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此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。

) u, }  t- k( W. e, H5 _- V" w4 k0 k    3.3  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

4 \* e* [$ U8 N3 D    本例为了操作方便，我们按照国家标准的基本配方进行研究，配方示例如下。
/ e% O2 U! I) J; h$ _" [# {( e
      配方示例：(质量份)
9 \1 j# q) W; v3 g2 d
      天然橡胶(烟片胶)100.00，硫黄2.50，氧化锌5.00，硬酯酸3.00，促进剂DM  0.60，N220炭黑50。
* b5 P( L6 g2 k0 [4 m; ^+ w, [# M
3 ~0 I8 ~+ @$ _& W/ u; H! V' i$ E- R    表3  不同原料油配比生产之N220炭黑指标及胶料物性分析数据

项目
测试结果

N220
/ c2 f& M% }- h# o5 A4 ~: V N200
N200
  T- A& A5 p5 g
原料油型号
AT:E
E:CT
CT=1
4 ~' R- F  w$ W* S6 D6 ^3 q0 {
3 s# W- `0 n* _% c吸碘值/(mg/g)
120
$ ?' T2 p9 M; V' U4 A" O# j 120
121
% c/ H* ~; v0 B. N& S# f7 O
DBP吸收值/(ml/100g)
/ N- m* [- B5 [6 Q/ ?1 X8 {/ t9 i4 \ 113
3 a% ~6 l! d0 u- l% i 114
, T8 R( }$ J% a! |# |. {& x 113
1 Y( `, K. N. p8 f) h
pH
5 i5 c8 x7 @, b5 r/ D6 }) t  e' X 7.1
( ?5 E2 `8 x1 T% w/ O/ J  T- P: y 7.2
$ c/ M7 v  A& Z3 |  u8 E 7.1
- x& W) A2 j& R. t/ D: P
6 `- S3 |6 z+ A/ q挥发份/%
1.5
1.2
0.9
3 e4 J0 I0 [' S1 k' e* U% k. h; y
* E- U' M( t) q" A; ?- V2 h着色强度/%
114
! b. _9 g" z6 F% F4 v( t 111
108
/ r( m: L2 j# F" r
5 v- O( t! n! i$ I硫化仪(170℃)
  
  
  
) K$ Z1 l2 h% l1 g; ]2 s! Y* j
2 g9 b4 N" t0 C& uML/dNm
/ q% j' t7 g$ I& K- ~ 5.81
" V% d. {  d" e& a 5.25
5.20
& P8 {9 j2 |$ ^- C5 c9 |7 I9 u5 ]
/ G" ]( S. @( U' m9 }+ G) sMH/dNm
6 d0 H; o2 f4 r6 f& g$ @- x 18.98
18.17
19.02
$ P6 I# j  n) N$ [6 a
ts1/min
9 M9 B# h. k+ g. P+ J( A' ^ 0-57
0-52
0-49
5 G5 N# u7 B( {) O7 k0 ]
3 B: A3 I3 U. c: Ct50/min
& p3 E8 m2 X/ k4 F 1-37
1-35
1-31
2 `8 j4 {) _' [8 x# ]( x, X
t90/min
+ @/ R! b4 O9 d- n% x- E! w# Q 3-44
3-39
3-28

门尼焦烧(127℃)
* e8 W! i8 {' Y/ ^0 N  
2 ]& x  ^: H& w  
  
6 b; q! A! L" n
% T0 d3 G- _/ n. s- [) YMV
7 E' n/ v6 M4 r! F$ o& ] 81.4
86.8
84.9

$ i7 \0 |1 I/ Q* ut5/min
6.40
( X; ]7 I: D2 x 5.39
1 n. [7 l% Q, v. M" ` 5.22
% F1 L4 \4 R; w( `' ]
t35/min
15.96
5 E! a* s- _4 z4 M; q 14.67
4 R/ U: Q2 T1 B; d 13.50
7 U" @' m$ f% J) y7 C

4 y4 H1 }( v& P! T' E: J    注：表中AT-乙烯焦油；ET-葸油；CT-煤焦油
3 x9 B8 ], Q/ K$ `
    由上表可以看出：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。

    由上表还可以看出：填充用乙烯与葸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。
5 u$ L/ l; M8 ^0 l7 i, H
* C  b( x7 f. F    4  结论
8 L5 r/ h. g" X, k7 a# }+ H/ Q
8 v  u+ W& T* e0 G6 W3 g    炭黑对胶料焦烧性能的影响不仅与炭黑的比表面、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。
6 E, x- ^7 |' \! @& _/ _6 y
$ z3 S- b: W8 N/ F  

4 V% ]. O+ ]* J8 k( K* N1 e: }0 }% L, k) b
--------------------------------------------------------------------------------

wangnaikao

资料不错，谢谢LZ转载

116700167

论坛真是不活跃了

欧明明

资料不错，谢谢

日照弘奥

$ \7 p  E# U9 O, f/ y3 e学习学习。。。。。。。。

骏腾邓辉鹏

感谢楼主分享