機(jī)械活化半石墨粉填充劑的效能

江畹蘭　編譯（華南理工大學(xué)材料學(xué)院，廣東 廣州 510641）

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機(jī)械活化半石墨粉填充劑的效能

江畹蘭編譯
（華南理工大學(xué)材料學(xué)院，廣東 廣州 510641）

用機(jī)械活化的方法提高半石墨Таурит-ТС-Д的分散性?；罨蟮陌胧畛鋭┲蠸iO2含量減少，碳含量增加，生成的金屬氧化物具有促進(jìn)硫化反應(yīng)的活化作用。

半石墨粉末Таурит-ТС-Д；機(jī)械活化；化學(xué)組成；物理化學(xué)性質(zhì)；超細(xì)分散半石墨粉末

近十年來(lái)，各國(guó)科研人員對(duì)研究和應(yīng)用生態(tài)純凈的天然材料的興趣與日俱增，其中，包括半石墨礦的再加工產(chǎn)品。它們被用作吸附劑、催化劑和橡膠填充劑。俄羅斯有二家大型礦產(chǎn)公司掌握了牌號(hào)為Таурит-ТС-Д的半石墨的加工技術(shù)。

眾所周知，彈性體用填充劑的基本性能就是它的分散度，可用粒度大小和比表面積來(lái)表征之。填料的分散度越高，膠料的性能也越好。若要繼續(xù)提高粉末填充劑的分散度，只有采用更加強(qiáng)化和更大能量的粉碎工藝和設(shè)備。目前，人們廣泛使用機(jī)械活化方法來(lái)制備新型的高分散度粉末填充劑。但將此方法用于半石墨，還研究得不夠透徹，這可能是因?yàn)榘胧哂懈吡W(xué)強(qiáng)度的緣故。

撰寫該文的目的是運(yùn)用機(jī)械活化的方法，來(lái)探討提高半石墨填充劑分散度的可能性，以及將半石墨填料Таурит-ТС-Д用于橡膠的有效性。在聚合物復(fù)合材料中使用超細(xì)分散半石墨粉末（類似于炭黑的作用），可以改善聚合物、橡膠膠料及硫化膠的粘合性能、彈性強(qiáng)度性能及動(dòng)態(tài)性能。但是，鑒于半石墨填充劑化學(xué)組成上的特點(diǎn)，又會(huì)使橡膠性能出現(xiàn)某些偏差。

文中對(duì)所制得的超細(xì)分散半石墨粉末進(jìn)行了多方面研究。如用Malvern Mastersizer 2000分析儀研究其分散度；采用儀器Gemini2380，根據(jù)氮吸附等溫線，按標(biāo)準(zhǔn)方法研究了它的總比表面積（NSA）及外比表面積（STSA）；用已知的多種方法測(cè)定了半石墨的化學(xué)組成、粒子表面上官能團(tuán)的特性；研究了膠料中生成半石墨-橡膠凝膠的能力。半石墨粉末的非均勻系數(shù)K，由粒度分布積分曲線計(jì)算得出。鄰苯二甲酸二丁酯吸附值，則按俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

半石墨的機(jī)械活化作用對(duì)輪胎及橡膠工業(yè)制品膠料力學(xué)性能的影響，可按其力學(xué)性能用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行評(píng)估。用ASTM D 5289方法測(cè)定膠料的流變性能。原料Таурит-ТС-Д-半石墨粉末的粒度為0.30～20 μm，分散度D90。超細(xì)分散半石墨粉末，則由Таурит-ТС-Д于空氣介質(zhì)中用實(shí)驗(yàn)室活化裝置制得。該方法的實(shí)質(zhì)是，在帶空氣分離器的循環(huán)氣流氣體-固體粒子中進(jìn)行超細(xì)研磨與粉碎。所以，由于被研磨材料很硬，1.1 μm左右的半石墨級(jí)份只占初始材料的4%。

在活化過(guò)程中，半石墨Таурит-ТС-Д的D50（占質(zhì)量50%的粒度指標(biāo)）由7.6 μm降至0.6 μm，D90由19μm降至1.1 μm。在經(jīng)過(guò)機(jī)械活化后的粉末中，粒子的分散組份較為均一，其比表面積幾乎增大了三倍，碳的份額增加，作為質(zhì)子給與體的苯酚官能團(tuán)及羧基官能團(tuán)的濃度增大，這是由于碳在空氣中被氧化的結(jié)果（見(jiàn)表1）。

表1　半石墨Таурит-ТС-Д及其活化后的超細(xì)分散粉末的物理化學(xué)性能與炭黑物理化學(xué)性能之比較

超細(xì)分散半石墨粉末的特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)度低及表面官能度高。為對(duì)比起見(jiàn)，表1列出了幾個(gè)炭黑試樣的官能度。由表1可以看出，半石墨Таурит粒子的官能度要比炭黑高得多。往炭黑中加入少量的半石墨Таурит，即可從整體上改變膠料中隨填充劑一起加入的官能團(tuán)的濃度。眾所周知，有質(zhì)子給予體-含氧官能團(tuán)的參與，可使炭黑表面對(duì)生膠產(chǎn)生活化作用，也可使膠料中的配合劑及各種中間化合物（在硫化膠結(jié)構(gòu)和性能的形成過(guò)程中起官能團(tuán)作用）活化。例如，在橡膠制品生產(chǎn)中使用了槽法炭黑，低分子化合物（增塑劑及硫化促進(jìn)劑）的吸附作用增強(qiáng)，硫化促進(jìn)劑的活化作用降低，硫鍵的交聯(lián)度減小。

半石墨結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是活性碳與二氧化硅生成了表面高度發(fā)達(dá)的互穿網(wǎng)絡(luò)。在進(jìn)行機(jī)械活化時(shí)，半石墨沿著碳的礦脈被粉碎，這是由于α-石英（SiO2）的高硬度（物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)內(nèi)聚強(qiáng)度的尺度）所致。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的化學(xué)分析表明，由于對(duì)半石墨進(jìn)行了活化作用，在所得產(chǎn)品中SiO2含量減少，碳的含量相應(yīng)增加。在經(jīng)過(guò)機(jī)械活化的粉碎產(chǎn)物中，存在著金屬氧化物，它能促進(jìn)膠料的硫化反應(yīng)。由表2可知，機(jī)械活化要求對(duì)半石墨進(jìn)行精選，使它的產(chǎn)品成分接近已進(jìn)行了深入研究的半石墨的化學(xué)組成。

表2　未經(jīng)機(jī)械活化與經(jīng)過(guò)機(jī)械活化后的半石墨粉末的化學(xué)組成與卡列里半石墨之比較

為了評(píng)估填充劑中生成半石墨Таурит-橡膠凝膠的能力，選取了兩種橡膠母料作為試樣，其組分中含半石墨填充劑（ТС-Д或超細(xì)分散半石墨粉末）與甲基丁苯橡膠СКМС-30АР КМ15（1:1）。在實(shí)驗(yàn)室用開煉機(jī)上制備了膠料，于甲苯溶劑中研究了半石墨—橡膠凝膠的特性。根據(jù)研究結(jié)果，弄清楚了半石墨外比表面積增長(zhǎng)速度，與填充了超細(xì)分散半石墨的膠料中半石墨—生膠凝膠和所連接的生膠的含量，不相匹配。由于填充劑表面被含氧基團(tuán)所覆蓋，故它對(duì)生膠的吸附活性下降，這就解釋了造成這種不相匹配的原由（表3）。

表3　在所研究的母膠料中半石墨—橡膠凝膠的含量

［1］Моисеевскя ГВ.ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ШУНГИТОВОГО НАПОЛНИТЕЛЯ РЕЗИН МАРКИ ТАУРИТ ТС-Д［J］.КАУЧКА И РЕЗИНА，2012（6）:14-16.

［責(zé)任編輯：張啟躍］

TQ 330.38+3

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1671-8232（2016）04-0028-02

2014-01-03