炭黑主要化性指标对橡胶混炼胶料性能影响分析

炭黑主要化性指标对橡胶混炼胶料性能影响分析
王宏武勇王雪宁
(朝阳黑猫伍兴岐炭黑有限责任公司辽宁朝阳122000；江西黑豹炭黑有限公司江西萍乡337034) 摘要：通过选择N234,N220,N375,N326四个炭黑品种中,不同化性指标的产品,按国标配方做混炼胶性能测试；包括硫变，门尼，焦烧等项目。

通过以上数据分析，确定炭黑不同化性指标对胶料各主要性能的影响范围及程度。

关键词：炭黑；化性指标；硫变；门尼；焦烧；影响趋势；影响程度；
炭黑是橡胶中重要的填料之一,主要起到补强和填充的作用，能显著提高橡胶制品的补强性。

特别在轮胎企业，由于炭黑的添加使轮胎胎面的耐磨性成几十倍的增加,极大提高了轮胎行驶里程。

同时，也极大的改善橡胶的拉伸强度等物理机械性能。

由于橡胶性能的优劣首先体现在混炼胶的相关性能中;包括:硫变、门尼粘度和焦烧等方面。

因此,深入研究炭黑主要性能的变化对混炼胶性能的影响,以便对于更好的满足轮胎橡胶企业的需求,有针对性的调整炭黑生产工艺,都有着重要的意义。

1 炭黑主要性能、混炼胶主要性能
1.1 炭黑主要性能
1.1.1炭黑比表面积
是指单位质量或体积内炭黑粒子表面积的总和。

以BET 法测定分为总比表面积(NSA)；外比表面积（STSA)。

1.1.2炭黑结构
是对炭黑聚集体链枝程度的表示。

以吸油值法测定分为一次结构和二次结构；其中DBP 是一次结构和二次结构总和。

一次结构（CDBP ）是原生结构，不易破坏；二次结构是靠范德华力凝聚形成的附聚体，易受外力而改变。

1.1.3着色强度(Tint):
是炭黑对白色染料的遮蔽染黑能力。

与粒径有关，随粒径的缩小及粒径分布均一性的提高着色强度有增加趋势；着色强 度的大小也可间接代表炭黑活性的强弱。

1.2 混炼胶主要性能
1.2.1 门尼粘度(M1+4):表示胶料粘度的大小。

一般按如下形式表示：
C o ML
1004
150
式中：50M —粘度，以门尼值为单位；
L —大转子 1—预热时间，1min 4—转动时间，4min
100℃—试验温度。

1.2.2焦烧
焦烧是未硫化橡胶在工艺流程中出现初期硫化即线性分子开始出现交联的现象。

焦烧时间是衡量未硫化橡胶初期硫化速度快慢的重要指标；是对未硫化橡胶的加工安全性的判定。

焦烧时间（t 3）：从试验开始胶料粘度下降至最小值后再上升3个门尼值所对应的时间，以分钟计。

门尼硫化时间（t 18）：从试验开始胶料粘度下降至最小值后再上升18个门尼值所对应的时间，以分钟计。

门尼硫化速度Δt 15按下式计算：
31815t t t -=∆
Δt 越小，硫化速度越快。

1.2.3硫变
硫化曲线
转矩
从以上硫化曲线可取得下列值： A 、转矩值
M L ：最小转矩，N·m；
M HR ：最大转矩（返原曲线），N·m；
用下列公式计算出正硫化时间（tc90）对应的转矩M 90：
L L H M M M M +⨯-=%90)(90
B 、时间
TS2：超过M L 之后，转矩增加2单位的时间，min ； TS3：超过M L 之后，转矩增加3单位的时间，min ； TC10：转矩增加到M L +（M H －M L ）10％的硫化时间，min ； TC90：转矩增加到M L +（M H －M L ）90％的硫化时间，min ； 2 炭黑主要性能与胶料主要性能相关性的实验测试与分析 2.1 炭黑样品的准备
我们选N234，N220，N375，N326四个品种中不同性能指标的炭黑样品共14个，作为测试用炭黑样品，所选炭黑样品 的PH 值在6.1-7.3间,挥发份1.0-1.2间,300%定伸在国标优级品范围。

表一: N234、N220炭黑样品
表二: N375、N326炭黑样品
2.2 炭黑样品胶料的制作
2.2.1混炼胶配方及操作方法:依据国标GB/T3780.18—1998 《炭黑在天然橡胶中配方及鉴定方法》中的规定内容进行混炼。

2.2.2开炼机型号: 上海轻工机械技术研究所 SXK-160A 5.5KW。

2.2.3测试胶片尺寸: ￠28MM,厚度8MM。

2.3 炭黑样品胶料的测试
为了保证实验数据的准确性，我们委托一家大型轮胎企业利用他们先进的分析仪器进行测试。

仪器型号为美国阿尔发公司RPA2000橡胶加工分析仪。

2.3.1测试结果及对比分析
A, N234、N220样品测试对比与数据分析
表三N234、N220样品测试对比表
数据分析：
第一组：当3#样品CDBP比2#样品高3个值,其它指标接近时；3#样品与2#样品的胶料性能比较：硫变MH提高5%;
门尼粘度ML1+4和ML提高6%,MH不变;焦烧时间略短,硫化速度快6%。

第二组：当1#样品NSA,STSA及Tint比2#样品高4-6个值, CDBP接近时；1#样品与2#样品的胶料性能比较：硫变ML、MH提高7-8%，门尼粘度ML1+4和ML提高13%，焦烧时间略短,硫化速率快7%。

第三组：当5#样品Tint比1#样品高5-6个值，其它指标接近时，5#样品与1#样品的胶料性能比较：TC90短10%，焦烧时间短4%,硫化速率快10%，其它胶料性能接近。

第四组：当5#样品CDBP比4#低4个值，而4#样品Tint比5#样品高5个值，其它指标接近时，胶料性能总体上没有
大的变化。

N220：当1#样品NSA,STSA比2#样品高4-5个值, Tint高8个值,CDBP一样时; 1#样品与2#样品的胶料性能比较：硫变ML提高9%,MH提高4%, TC90短15%;门尼粘度ML1+4和ML提高11%,MH提高21%;焦烧时间略短,硫化
速度快8%。

结论：1,从以上数据分析看, N234炭黑性能中NSA,STSA,DBP,Tint对胶料性能的影响项目及程度如下表:
注：表中“重要”指炭黑性能指标提高1个点，对应的胶料性能增加1-2个点，“中等”指炭黑性能指标提高1个点，对应的胶料性能增加0.5-1个点。

2, N220与N234在炭黑性能影响胶料方面及程度上相近，不同点是对门尼MH影响大,属“重要”程度。

B，N375及N326样品测试对比与数据分析
表四N375、N326样品测试对比表
数据分析：
N375第一组：当3#样品NSA,STSA比1#样品高9-10个值, Tint高9个值,CDBP接近时; 3#样品与1#样品的胶料性能比较:硫变ML和MH提高3%, TC90长13%;门尼粘度ML1+4接近,、ML和MH11%；焦烧时间长12%,硫化
速度快6%。

N375第二组：当3#样品CDBP比2#样品高3个值, Tint低5-6个值, NSA,STSA一样时; 3#样品与2#样品的胶料性能比较：硫变MH提高8%, TC90短5%;门尼粘度ML1+4、ML MH接近;焦烧时间长7%,硫化速度慢10%。

N326第一组：当1#样品NSA,STSA比2#样品高3个值, Tint高6-7个值,CDBP接近时; 1#样品与2#样品的胶料性能比较：硫变ML低4%,MH低12%, TC90短6%;门尼粘度ML1+4和ML低9%,MH低15%;焦烧时间接近,硫化速
度慢8%。

N326第二组：当3#样品CDBP比4#样品高3-4个值, Tint高6-7个值, NSA,STSA接近时; 3#样品与4#样品的胶料性能比较：硫变ML低5%,MH低6%, TC90短6%;门尼粘度ML1+4、ML和MH低8-7%;焦烧时间长12%接近,硫
化速度慢14%。

结论：1，通过对N375二个组的数据分析，NSA,STSA，CDBP，Tint项目对胶料性能：硫变和门尼的影响与N234相近，但对焦烧的影响二个组还没有统一的趋势。

2，通过对N326二个组的数据分析，NSA、STSA、CDBP、Tint项目对胶料性能：硫变、门尼和焦烧的影响与N234
相反，影响程度相近。

4 结束语
在日常生产中，经常会接到轮胎用户抱怨胶料的门尼粘度、最大转矩、最小转矩和焦烧时间等方面数据没达到要求，而要求炭黑生产厂对产品质量进行改善的情况。

因此，分析确定炭黑性能方面的影响因素、影响程度及如何改善是摆正我们炭黑生产技术人员的重要研究课题之一。

以上所做的14个炭黑样品胶料的测试，主要目的是为了实际了解和掌握炭黑主要性能对胶料性能的影响趋势，并同时能找到一定的定量关系。

通过以上的测试，对N234，N220，N375炭黑的性能中NSA、STSA、CDBP、Tint的变化对胶料性能硫变、门尼和焦烧间的影响在数据上体现出一定的关联性,这也符合理论上炭黑对橡胶的补强机理中结合胶和吸留橡胶的作用机理以及炭黑比表面积、结构对胶料分散的影响，这里暂不详细说明。

但N326炭黑与N234，N220，N375在对胶料性能硫变、门尼和焦烧方面影响上有所不同,由于N326炭黑在轮胎中应用在非常重要部位，如在全钢胎中做钢帘线粘合胶等。

因此,今后还需要做更多的实验,以便更加全面正确的了解N326炭黑对胶料性能的影响机理。

同时，我们也希望这篇文章能起到抛砖引玉的作用，炭黑同行们共同探讨炭黑主要性能对胶料性能影响方面的工作，以便为轮胎用户提供最优质的产品和服务。

(本论文数据和结论由于在混炼,测试等方面会有一定的偏差, 仅供参考。

如有错误观点敬请指正)
参考文献
〔1〕实用橡胶工艺学化学工业出版社2005年6月第一版
〔2〕炭黑生产与应用手册化学工业出版社2000年9月第一版。