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        橡膠制品表面泛彩與炭黑性質(zhì)之間的關(guān)系

        2021-07-20 01:23:02李義彬劉江紅李崗領(lǐng)馬寶亮
        橡膠科技 2021年7期
        關(guān)鍵詞:橡膠制品發(fā)色炭黑

        李義彬,劉江紅,李崗領(lǐng),馬寶亮

        (龍星化工股份有限公司,河北 邢臺(tái) 054100)

        混煉膠或硫化橡膠制品在停放過程中表面會(huì)呈現(xiàn)不同顏色,主要有泛藍(lán)、泛紅等,統(tǒng)稱為泛彩[1-2]。膠料分子中含有碳-碳雙鍵、羰基、醛基、羧基、偶氮基、亞硝基、碳硫雙鍵等基團(tuán)的物質(zhì),吸收某種波長(zhǎng)的光,太陽光照射后反射光呈現(xiàn)不同的顏色,因此這些基團(tuán)也被稱為發(fā)色基團(tuán)。當(dāng)含有發(fā)色基團(tuán)的一種或多種物質(zhì)遷移到膠料表面時(shí),膠料表面就會(huì)出現(xiàn)一種或多種顏色,即泛彩現(xiàn)象[3-5]。

        本工作研究橡膠制品表面泛彩與炭黑性質(zhì)之間的關(guān)系,為提高橡膠制品外觀質(zhì)量提供參考。

        1 噴出現(xiàn)象分析

        理論上,膠料表面泛彩是由于混煉時(shí)加入的操作油或防老劑在停放時(shí)遷移至橡膠表面,這種油膜或發(fā)色基團(tuán)使膠料表面呈彩色。泛彩不一定來源于炭黑,然而用戶發(fā)現(xiàn)使用不同廠家或不同批次的炭黑時(shí)泛彩情況不同,因此認(rèn)為炭黑表面殘留油造成了泛彩問題。但選擇煮沸后水溶液表層更干凈、甲苯透光率更大的炭黑,也難以解決膠料泛彩問題。

        由于泛彩是在特定情況下發(fā)生的,一般按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備的膠片無泛彩現(xiàn)象。膠料表面噴出現(xiàn)象主要分為3種。

        (1)噴霜。膠料內(nèi)部硫黃等無機(jī)物配合劑自動(dòng)從內(nèi)部向表面遷移,形成一層白霜。

        (2)噴油。膠料內(nèi)部液體增塑劑等配合劑向表面遷移,形成油滴或油膜。

        (3)泛彩。膠料內(nèi)部發(fā)色基團(tuán)向表面遷移,出現(xiàn)彩虹顏色。

        與噴油和泛彩現(xiàn)象相比,噴霜現(xiàn)象更常見。噴霜實(shí)質(zhì)上是膠料內(nèi)部結(jié)晶性配合劑遷移到膠料表面重新結(jié)晶的現(xiàn)象。

        2 噴霜原因分析

        混煉膠在室溫下存放一段時(shí)間后,表面經(jīng)常會(huì)覆有一層不連續(xù)的白霜。當(dāng)空氣濕度較大時(shí),膠料表面噴霜增多。被手接觸過的膠料部位和膠料與桌面接觸的部位更容易出現(xiàn)噴霜。選擇一塊表面已部分噴霜的混煉膠,在普通光學(xué)顯微鏡下觀察,噴霜與未噴霜區(qū)域見圖1。

        從圖1可以看出:未噴霜區(qū)域顯示膠料的正常混煉狀態(tài),填料在膠料間均勻分散;噴霜區(qū)域顯示填料集中在膠料表面,這是由于填料在膠料中分散不均勻,填料出現(xiàn)富集。

        圖1 噴霜混煉膠的顯微鏡照片

        影響膠料噴霜的因素在于配合劑與膠料的相容性。二者相容性好,配合劑不傾向于遷移;反之則會(huì)傾向于遷移。配合劑在橡膠中的溶解過程熱力學(xué)方程如下。

        式中,ΔG為溶解吉布斯自由能,ΔH為溶解焓變,T為溶解溫度,ΔS為溶解熵變(溶解過程ΔS>0),Vm為膠料總體積,δ1和δ2分別為配合劑和橡膠的溶解度參數(shù),ψ1和ψ2分別為配合劑和橡膠的體積分?jǐn)?shù)。

        當(dāng)ΔG<0時(shí),溶解自發(fā)進(jìn)行,熱力學(xué)相容;當(dāng)ΔG>0時(shí),不自發(fā)溶解,熱力學(xué)不相容。

        當(dāng)δ1=δ2時(shí),ΔH=0,ΔG<0,熱力學(xué)相容,在任何溫度下配合劑不噴出;當(dāng)δ1和δ2相差較小時(shí),T升高,ΔG<0,熱力學(xué)相容,降低到某溫度以下時(shí)配合劑噴出。

        當(dāng)δ1和δ2相差很大時(shí),即使T升高,ΔG>0,配合劑與橡膠完全不相容,任何溫度下配合劑均噴出;此時(shí)只有ψ1很?。ㄅ浜蟿┯昧亢苄。?、溫度較高時(shí),ΔG<0,降低到某溫度以下時(shí)配合劑噴出。

        為驗(yàn)證溫度對(duì)噴出的影響,本工作按照GB 3778—2011《橡膠用炭黑》,采用新混煉的天然橡膠膠片(補(bǔ)強(qiáng)劑包括炭黑N134、N774等不同品種),立即在0~10 ℃的室外環(huán)境下存放24 h,膠片表面均未出現(xiàn)噴霜或泛彩現(xiàn)象,而在室溫下長(zhǎng)時(shí)間存放的膠片表面出現(xiàn)明顯的噴霜現(xiàn)象。以上現(xiàn)象說明,按GB 3778—2011混煉的膠片,配合劑與橡膠之間熱力學(xué)相容,降低溫度不會(huì)造成配合劑噴出。

        影響膠料噴霜的因素還有配合劑親水性和鹽及水。由于水分和鹽分的影響,被手接觸過的膠料內(nèi)部的親水配合劑向膠料表面遷移,造成噴霜現(xiàn)象。肉眼觀察,表面均勻的膠片其實(shí)存在細(xì)微差別,而正是這種差別導(dǎo)致配合劑等物質(zhì)的定向運(yùn)動(dòng)。

        噴油和泛彩現(xiàn)象也與配合劑在膠料中分散不均勻相關(guān)。由于多數(shù)膠料僅在少數(shù)部位出現(xiàn)泛彩,而不是整體出現(xiàn)泛彩。也就是說,這種帶發(fā)色基團(tuán)的物質(zhì)在某種情況下出現(xiàn)區(qū)域富集現(xiàn)象,即部分區(qū)域的發(fā)色基團(tuán)的含量高于其他區(qū)域,導(dǎo)致膠料或橡膠制品表面出現(xiàn)泛彩現(xiàn)象。

        彩色油脂是不親水的,因此噴油與噴霜原因不同,而泛彩現(xiàn)象是在硫化膠表面出現(xiàn)的,可以推斷膠料混煉不均勻造成了泛彩現(xiàn)象。

        根據(jù)上述結(jié)論,改善泛彩現(xiàn)象首先應(yīng)改進(jìn)混煉工藝。但事實(shí)上,沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以確定混煉處于最佳狀態(tài)。對(duì)于普通輪胎膠料而言,混煉效果優(yōu)劣的判據(jù)是在得到較高生產(chǎn)效率的同時(shí)獲得滿意的炭黑分散水平和膠料物理性能。但當(dāng)膠料出現(xiàn)泛彩現(xiàn)象時(shí),其物理性能往往是合格的,即炭黑在膠料中的分散程度已經(jīng)達(dá)到了要求。然而膠料表面色澤是一個(gè)更高的要求,配合劑在膠料中的分散水平遠(yuǎn)未達(dá)到這種要求。

        3 炭黑性質(zhì)與膠料表面泛彩的關(guān)系

        如果必須從炭黑質(zhì)量方面改善膠料泛彩現(xiàn)象,那么可以提高炭黑在膠料中的分散性。如果炭黑在膠料中分散性不好,則存在微觀分散不良現(xiàn)象,即部分炭黑在橡膠中仍以附聚體等形式存在,見圖2(a)。

        從圖2可以看出,填料附聚體比膠料其他組分更容易吸附操作油等液體物質(zhì),混煉后這部分膠料若分布在橡膠制品表面,可能出現(xiàn)泛彩現(xiàn)象。

        圖2 填料在橡膠中不同的分散狀態(tài)

        以炭黑N220為例,通過調(diào)整其理化性能,研究炭黑性質(zhì)與膠料泛彩情況的關(guān)系,結(jié)果見表1。

        從表1可以看出,增大炭黑比表面積、減小炭黑粒子強(qiáng)度后,炭黑在膠料中分散性提高,膠料中配合劑吸附或相容更均勻,泛彩現(xiàn)象有所改善。

        表1 炭黑N220理化性能調(diào)整與膠料泛彩情況的關(guān)系

        4 結(jié)語

        泛彩現(xiàn)象雖然不影響橡膠制品的使用性能,但嚴(yán)重影響彩色或淺色制品(如膠鞋、玩具、日用品等)外觀質(zhì)量。調(diào)整炭黑理化性能可以提高炭黑在膠料中的分散性,有利于改善膠料的泛彩現(xiàn)象。此外,還應(yīng)從其他配合劑品種選擇、配方設(shè)計(jì)、混煉工藝等方面進(jìn)行改進(jìn),以改善泛彩現(xiàn)象,提高橡膠制品性能與外觀品質(zhì)。

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