韓晶杰1,吳馳飛1,徐　娟2(1.華東理工大學材料科學與工程學院,上海　200237; 2.江西耐普實業(yè)有限公司,江西上饒　334100)

摘要:通過改性方法制備出一種綠色炭黑,并將綠色N330和綠色N220分別添加到天然橡膠和丁苯橡膠中,研究了各自硫化橡膠的生熱、動態(tài)力學及疲勞性能,證明綠色炭黑具有低生熱、低滾動阻力和高回彈性等優(yōu)異性能,具有優(yōu)異的加工性能,可實現(xiàn)高效低溫煉。

關鍵詞:綠色炭黑;天然橡膠;丁苯橡膠;性能

炭黑是應用最早的納米級工業(yè)粉體材料。從第一次世界大戰(zhàn)期間作為橡膠補強填料以來,炭黑一直廣泛應用于世界橡膠工業(yè)。因為有無法比擬的補強效果,故其在橡膠工業(yè)中的地位是不可代替的。然而,目前商業(yè)炭黑還存在著一些問題,如還有待進一步降低滾動阻力、提高抗?jié)窕缘?。為解決這些問題,國外開發(fā)了低滯后炭黑和轉(zhuǎn)化炭黑,但炭黑的力學性能受到一定影響。

在炭黑改性方面,科學家們也做了大量的研究,因其多為液相中的改性,成本比較高,不適宜擴大規(guī)模。筆者曾提出“乙烯基單體原位固態(tài)接枝改性炭黑的方法”,并報道了馬來酸酐改性炭黑、丙烯酸丁酯改性炭黑對天然橡膠粘合及動態(tài)力學性能的影響?，F(xiàn)介紹一種通過全新改性方法制備的炭黑。其最大工藝特點是可以將炭黑改性劑加入到用于濕法造粒的水中,經(jīng)濕法造粒工藝過程實現(xiàn)改性炭黑的工業(yè)化生產(chǎn)。我們稱該種改性炭黑為“綠色炭黑”,有以下幾點原因:

1.低滾動阻力,降低油耗,減少溫室氣體排放;

2.顆粒有一定剛度,加工過程中不飛揚,經(jīng)輥壓后即成片狀,吃粉快,易分散,改善生產(chǎn)及加工環(huán)境;

3.成倍提高橡膠制品的疲勞壽命,減少橡膠廢棄物。

綠色炭黑的主要性能特點有以下幾方面:

1.低生熱、低滾動阻力、高回彈性;

2.高拉伸強度、高拉斷伸長率、與金屬的高粘合強度;

3.顆粒有一定剛度,加工過程中不飛揚,加工性能好,吃粉快,改善生產(chǎn)及加工環(huán)境,提高煉膠效率;

4.基于其優(yōu)異的加工性能,有可能實現(xiàn)高效低溫煉膠,從而推動實現(xiàn)橡膠工業(yè)高效連續(xù)“流水生產(chǎn)線”的開發(fā)。

1實驗部分

1. 1原料

天然橡膠(煙片膠),丁苯橡膠,市售產(chǎn)品;炭黑,上海立事化工股份有限公司和上?？ú┨靥亢谟邢薰井a(chǎn)品;促進劑DM、促進劑CZ、防老劑4010NA、不溶性硫黃IS-60、氧化鋅、硬脂酸等均為商業(yè)產(chǎn)品;綠色改性炭黑,自制。

1. 2試樣制備

基本配方:橡膠　100,炭黑　65,氧化鋅　8,硬脂酸　2,防老劑　2,促進劑CZ　0. 6,促進劑DM　0. 6,不溶性硫黃IS-60　2. 5。

在Φ160雙輥開煉機(152mm×305mm)上制備混煉膠,輥筒速比為1: 1. 42。加料順序為:橡膠→小料→炭黑→硫黃,膠料放置過夜后硫化、測試。實驗設備包括: 160雙輥開煉機(152mm×305mm)、25t平板硫化機、Haak混煉機和RPA2000。

1. 3測試與分析

采用日本UBM RheogelE4000動態(tài)力學分析儀對硫化膠進行動態(tài)力學測試分析。測試條件:頻率11Hz,溫度-90℃~+120℃,升溫速率每分鐘3℃,采用拉伸夾具。

2結果與討論

2.1綠色炭黑對橡膠混煉過程中膠料生熱的影響

圖1是商品炭黑N330與綠色改性炭黑N330(GN330)在混煉過程中生熱曲線對比?？梢钥闯?混煉開始后,添加商品炭黑的膠料溫度迅速上升,而添加綠色炭黑的膠料溫度上升緩慢。兩個樣品混煉時間相同,混煉結束時,添加商品炭黑N330的膠料溫度為129. 9℃,而添加綠色炭黑的膠料溫度僅為109. 4℃。

2.2綠色炭黑N330對硫化天然橡膠動態(tài)力學性能的影響

從圖2和表1可以看出, 60℃時綠色炭黑GN330比商業(yè)炭黑N330的tanδ值明顯降低,降低約20%,說明改性明顯降低了炭黑N330的滾動阻力;同時膠料90℃的tanδ值降低約17.6%,說明綠色炭黑的添加使膠料的疲勞生熱大幅降低。2.3綠色炭黑N220對硫化丁基橡膠動態(tài)力學性能的影響

從圖3和表2可以看出, 60℃時綠色炭黑N220(GN220)比商業(yè)炭黑N220的tanδ值明顯降低,降低約20%,說明與炭黑N220相比,綠色炭黑明顯降低了硫化丁苯橡膠的滾動阻力;同時膠料90℃的tanδ值降低約26. 5%,說明綠色炭黑還大幅降低了膠料的疲勞生熱。

2. 4綠色炭黑對硫化天然橡膠力學性能及動態(tài)疲勞性能的影響

從表3所列數(shù)據(jù)可以看出,對于同樣的配方,以綠色炭黑代替普通商業(yè)炭黑后,硫化膠的拉伸強度、拉斷伸長率、300%定伸應力、回彈性、與金屬粘合強度均有明顯提高,硬度略有降低。

圖4和圖5是采用綠色炭黑開發(fā)的某橡膠制品與美國樣品疲勞實驗后的實物照片。可見,采用綠色炭黑的橡膠制品,最大生熱比采用普通炭黑降低約44%以上,疲勞壽命提高約5倍;與美國樣品相比,最大生熱降低33%以上,疲勞壽命提高50%以上。

3結論

1.綠色炭黑N330能大幅降低硫化天然橡膠的滾動阻力、疲勞生熱。

2.綠色炭黑N220可大幅降低硫化丁苯橡膠的滾動阻力、疲勞生熱,并對膠料抗?jié)窕阅苌杂刑岣摺?/p>

3.綠色炭黑的性能取決于炭黑的牌號、生產(chǎn)廠家、改性劑配方及所采用的橡膠品種。