郭良博，邵 路，王 宏，呂宏濤

（青島黑貓?zhí)亢诳萍加邢挢?zé)任公司，山東 青島 266042）

炭黑是橡膠工業(yè)用第二大原材料[1]，主要應(yīng)用于輪胎中。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使得炭黑行業(yè)發(fā)展進(jìn)入了關(guān)鍵時(shí)期。深入的炭黑基礎(chǔ)研究對(duì)開(kāi)發(fā)炭黑新品種、促進(jìn)其應(yīng)用具有重要意義。炭黑對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用是由炭黑特有的基本性質(zhì)決定的，炭黑粒徑越小，結(jié)構(gòu)度越高，其補(bǔ)強(qiáng)性能越好[2-3]。粒徑大小與炭黑的結(jié)構(gòu)度、著色強(qiáng)度、表面活性等緊密相關(guān)，國(guó)內(nèi)外對(duì)炭黑粒徑相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了大量研究[4-7]。本工作研究不同品種炭黑的理化性質(zhì)及粒徑特性，并從粒徑角度出發(fā)探討不同品種炭黑對(duì)輪胎胎面膠性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）、氧化鋅和硬脂酸，中昊黑元化工研究設(shè)計(jì)院有限公司提供；炭黑N134、炭黑N234、炭黑N220、炭黑N375和炭黑N550，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

NR 80，SBR 20，炭黑（變品種） 50，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑RD 1.5，防老劑4020 1.5，硫黃 1.2，促進(jìn)劑TBBS 1.4，防焦劑CTP-100 0.2。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XSM-1/10-120型1 L密煉機(jī)，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；XKL-150型開(kāi)煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械制造集團(tuán)公司產(chǎn)品；XLD-D400×400×2平板硫化機(jī)，湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；DGAV型炭黑分散度儀、MV2000型門(mén)尼粘度儀、MDR Premier型硫化儀和2020-DC型拉力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；GT-7042-RE型回彈試驗(yàn)機(jī)、GT-RH-2000N型壓縮生熱機(jī)和GT-7012-A型阿克隆磨耗機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；GeminiVII2390型全自動(dòng)表面積分析儀，美國(guó)Micromeritics公司產(chǎn)品；DBP-C型炭黑吸油計(jì)，德國(guó)Brabender公司產(chǎn)品；BI-DCP型圓盤(pán)式離心沉降儀，美國(guó)Brookhaven公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料采用2段混煉工藝。一段混煉在1 L密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：生膠→壓壓砣→炭黑→壓壓砣→小料→壓壓砣→排膠（≤150 ℃）→在開(kāi)煉機(jī)上割刀2—3次，下片，停放。二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣→硫黃和促進(jìn)劑→壓壓砣→排膠（≤120 ℃），在開(kāi)煉機(jī)上割刀1次→打三角包6遍→割刀2—3次→下片，停放。

膠料在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150℃×30 min。

1.5 測(cè)試方法

（1）粒徑。采用圓盤(pán)式離心沉降儀進(jìn)行測(cè)試。稱取一定量樣品，加入乙醇并在粉碎機(jī)中超聲處理3 min，取出冷卻至室溫；在規(guī)定時(shí)間內(nèi)加入定量的曲拉通溶液（非離子型表面活性劑）；取上層分散液置于圓盤(pán)式離心沉降儀中進(jìn)行測(cè)試。

（2）分散度。使用炭黑分散度儀進(jìn)行測(cè)試。

（3）膠料其他各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化性能

根據(jù)ASTM D1765炭黑命名規(guī)則，炭黑命名時(shí)第1個(gè)數(shù)字表示比表面積，常用吸碘值和BET比表面積進(jìn)行表征[8-9]。吸油值表征炭黑一次結(jié)構(gòu)與二次結(jié)構(gòu)的總和，壓縮吸油值表征炭黑的一次結(jié)構(gòu)。炭黑一次結(jié)構(gòu)較堅(jiān)固[10]，其在橡膠混煉過(guò)程中不易被破壞。炭黑從形貌可分為原生粒子、聚集體和附聚體。炭黑原生粒子粒徑一般為10～100 nm，聚集體粒徑即炭黑粒徑一般為50～500 nm，附聚體粒徑在1 μm以上。

不同粒徑炭黑的理化性能如表1所示。

從表1可以看出：隨著炭黑粒徑的增大，吸油值和壓縮吸油值呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)度逐漸降低，比表面積減?。惶亢贜375的粒徑分布寬度系數(shù)最小，說(shuō)明其分散性更差。粒徑分布寬度系數(shù)是表征炭黑分散性的重要參數(shù)。

2.2 門(mén)尼粘度和硫化特性

不同粒徑炭黑混煉膠的門(mén)尼粘度和硫化特性如表2所示。

從表2可以看出：炭黑N134膠料的門(mén)尼粘度較大，說(shuō)明其加工能耗較大，加工性能較差；炭黑N550膠料的門(mén)尼粘度較小，這從其粒徑及結(jié)構(gòu)度大小可以得到解釋，粒徑小、結(jié)構(gòu)度高的炭黑N134分散到膠料中更困難；隨著炭黑粒徑的增大，膠料的門(mén)尼焦燒時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，結(jié)合試驗(yàn)變量考慮，粒徑是影響焦燒時(shí)間的重要因素；炭黑N134膠料的t90較長(zhǎng)，這是由于炭黑N134粒徑較小，補(bǔ)強(qiáng)性能較好，交聯(lián)密度較高；炭黑N550膠料的t90偏長(zhǎng)，這是由于炭黑N550粒徑大，分散性好。

2.3 物理性能

不同粒徑炭黑硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 不同粒徑炭黑硫化膠的物理性能

從表3可以看出，炭黑N134膠料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度較大，阿克隆磨耗量較小，說(shuō)明耐磨性能較好，壓縮疲勞溫升較高，這與炭黑N134粒徑小、比表面積大有關(guān)。炭黑粒徑直接影響硫化膠的物理性能，在一定條件下炭黑粒徑越小，硫化膠的強(qiáng)度越高，耐磨性能越好，輪胎的安全系數(shù)越高，使用壽命越長(zhǎng)。

2.4 分散性

不同粒徑炭黑在膠料中的分散性測(cè)試結(jié)果分別如表4和圖1所示。

表4 不同粒徑炭黑在膠料中的分散性

炭黑在膠料中的分散性與其粒徑關(guān)系密切，炭黑粒徑小，有利于提高膠料的拉伸性能[11-12]。炭黑以聚集體形式存在于膠料體系中，從表4和圖1可知：炭黑N134的分散系數(shù)較大，白區(qū)面積較小，分散等級(jí)較高；炭黑N375和炭黑N550出現(xiàn)明顯地團(tuán)聚，說(shuō)明其分散性較差，這與常規(guī)認(rèn)知并不一致，即大粒徑炭黑的分散性并沒(méi)有在本工作配方中體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，分析認(rèn)為：一是胎面膠混煉采用2段工藝，小粒徑炭黑在混煉中得到了充分分散；二是在混煉過(guò)程中粒徑較大炭黑的少量粒子團(tuán)聚，尺寸更大，易被儀器捕捉識(shí)別。這為進(jìn)一步研究炭黑粒徑大小與分散性的關(guān)系提供了重要參考。

3 結(jié)論

（1）炭黑的粒徑越大，比表面積越小，結(jié)構(gòu)度越低。

（2）隨著炭黑粒徑的增大，膠料的門(mén)尼粘度降低，交聯(lián)密度減小，硫化膠的強(qiáng)度和耐磨性能降低，生熱減小。

（3）小粒徑炭黑N134、炭黑N234和炭黑N220在膠料中的分散性好于大粒徑炭黑N375和炭黑N550。