關(guān)于OMCARB系列導(dǎo)電炭黑之研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學(xué) 材料學(xué)院, 廣東 廣州 510641）

關(guān)于OMCARB系列導(dǎo)電炭黑之研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學(xué) 材料學(xué)院, 廣東 廣州 510641）

利用天然橡膠標(biāo)準(zhǔn)配方，研究了分別填充CН85、CН200、CНS230（OMCARB）、N234及乙炔炭黑的膠料的加工性能、導(dǎo)電性能及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。結(jié)果表明，在輪胎膠料中使用OMCARB系列導(dǎo)電橡膠，可以提高橡膠的強(qiáng)度性能及動(dòng)態(tài)特性，使滯后損失與溫度良好地互動(dòng)，即在高溫下滯后損失低；在低溫下，滯后損失高。

導(dǎo)電炭黑；加工性能；動(dòng)態(tài)性能；力學(xué)性能

俄羅斯研究人員用天然橡膠標(biāo)準(zhǔn)配方，對(duì)新牌號(hào)導(dǎo)電炭黑進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。天然橡膠牌號(hào)為CLARIMERL。具體配方組成如下（質(zhì)量份）：生膠 100.0；炭黑 50.0；硫磺 2.5；硫化促進(jìn)劑（促進(jìn)劑M） 0.6；活化劑 鋅鋇白 5.0；硬脂酸 3.0。填充劑分別為CН85、CН200、CНS230 （OMCARB）；此外，還有N234和分散度和結(jié)構(gòu)性與其相近的乙炔炭黑。膠料制備及性能測(cè)試均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。用MоnTeCh公司產(chǎn)儀器—MDR3000振蕩流變儀及MV3000黏度計(jì)，測(cè)定了膠料的流變性能；使用儀器ИTЭM-1測(cè)定了膠料的熱傳導(dǎo)性，它可以在0.2到80B/M·K范圍內(nèi)測(cè)量材料的熱傳導(dǎo)性（λ），用毫微電流表Ф136 （2.5～1000 mV）測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

表1示出了膠料測(cè)試結(jié)果。

由表1中所列的數(shù)據(jù)得知，在160 ℃下（MDR3000）填充CН85炭黑的膠料，其最小轉(zhuǎn)矩值（ML）及最大轉(zhuǎn)矩值（MН）與填充N(xiāo)234炭黑及乙炔炭黑的膠料相近，但表征誘導(dǎo)期的硫化起步時(shí)間（ts1）及正硫化時(shí)間（t90）卻最短。與此同時(shí)，填充炭黑CН85膠料的硫化速率（Rh）與填充炭黑N234的膠料的相近，但顯著高于填充乙炔炭黑的膠料。填充炭黑CН85的膠料于100 ℃下的門(mén)尼黏度值，介于以上兩種炭黑（N234和乙炔炭黑）填充膠之間。填充炭黑CН85的硫化膠的強(qiáng)度性能與填充N(xiāo)234的硫化膠的相近，但彈性優(yōu)于后者，這就可以推斷，制品使用時(shí)滯后損失會(huì)有所降低。

填充CН200及CНS230炭黑的膠料，其流變性能有別于其他對(duì)照炭黑膠料，且其硫化膠的彈性和強(qiáng)度都較低。這可能是由于橡膠在被同等質(zhì)量份數(shù)的炭黑填充時(shí)，炭黑的孔隙度增大和與之相關(guān)聯(lián)的體積份數(shù)的增加所引起的，當(dāng)然，也有趨向于炭黑一次聚集體燒結(jié)這樣的因素存在。

導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性這二者是密切相關(guān)和相互依賴的，故通常將它們與其乘積作比較。乘積與Bидeмaн-Фрaнц經(jīng)驗(yàn)規(guī)則相吻合，即類(lèi)似的體系在不同溫度下，其乘積是相同的。由表2中的數(shù)據(jù)可知，用乙炔炭黑取代炭黑N234，橡膠的導(dǎo)電率可提高一倍，而電阻與熱傳導(dǎo)系數(shù)的乘積則降低67%。填充OMCARB系列炭黑的橡膠，其電性能比N234炭黑填充膠更接近填充乙炔炭黑的橡膠。填充CН200及CНS230炭黑的橡膠的兩種物理特性均處在較高的水平，將它們用于要求具有特殊性能的制品，前景看好。

表1 所研究的橡膠膠料熱老化前后的力學(xué)性能

曾用MоnTeCh公司的橡膠加工動(dòng)態(tài)分析儀及DMA 242D（NetsCh公司產(chǎn)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀）模擬了含對(duì)照用炭黑的橡膠在輪胎中使用的性狀。

表2 含不同填充劑（炭黑）的橡膠的物理特性

試樣在D-RPA3000儀器上于143 ℃下硫化25 min（振幅0.05%），然后，在60 ℃下進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，變形頻率分別為0.1；1.0；及10 Нz（振幅1.38%）（見(jiàn)表3）。對(duì)膠料硫化特性進(jìn)行的評(píng)估表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性不大。另外，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)也表明，在所有條件下，填充炭黑CН85的橡膠的損耗模量G''最低，力學(xué)損耗角正切tg δ也最?。ㄔ?0 ℃下），即滯后損失最小。而滯后損失與輪胎的滾動(dòng)阻力直接相關(guān)。究其原因，可能是與此種炭黑的形態(tài)學(xué)特征有關(guān)聯(lián)，即高吸油值及在橡膠中能良好地分散。填充炭黑CН200的橡膠的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，最接近填充炭黑N234的橡膠，但低于填充乙炔炭黑的橡膠，而填充炭黑CНS230的橡膠動(dòng)態(tài)性能，則比以上兩種橡膠為差。

在DMA 242D儀器上，于壓縮變形（頻率分別為0.1 Нz和10 Нz，溫度-30 ℃～+60 ℃）條件下測(cè)定了硫化膠的彈性模量、損耗模量、力學(xué)損耗角正切、復(fù)合模量等指標(biāo)。

表3 在剪切變形條件下用D-RPA3000儀器測(cè)得的膠料及硫化膠的各項(xiàng)性能

（續(xù)前表）

分析所得結(jié)果表明，填充炭黑CН85的橡膠的tg δ在+60 ℃時(shí)，低于另外兩種對(duì)比橡膠。tg δ降低，意味著輪胎胎面的滾動(dòng)阻力降低。

與相對(duì)照的橡膠相比，在0 ℃下測(cè)得的tg δ不遵循上述規(guī)律且互相矛盾，即在變形頻率為10 Нz時(shí)，填充CН85炭黑的橡膠的tg δ值，較填充N(xiāo)234炭黑的橡膠的高，但低于填充乙炔炭黑的橡膠；當(dāng)頻率為0.1 Нz時(shí)，則略低于兩種對(duì)照橡膠。這表明，填充CН85炭黑的橡膠與潮濕路面的抓著力可能會(huì)略有降低（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖3及圖4為所研究橡膠的彈性模量E'及損耗模量E''在測(cè)試溫度為10 ℃及20 ℃時(shí)的關(guān)系圖。填充CН85炭黑的橡膠的指標(biāo)值最低。填充此種炭黑的輪胎在低溫條件下滾動(dòng)時(shí)，其胎面對(duì)結(jié)冰路面有較好 的抓著性。

圖1 在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA242D(壓縮變形、頻率0.1 Hz)上測(cè)得的含不同填充劑的橡膠機(jī)械損耗角正切與試驗(yàn)溫度之間的關(guān)系

圖1 在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA242D(壓縮變形、頻率10 Hz)上測(cè)得的含不同填充劑的橡膠機(jī)械損耗角正切與試驗(yàn)溫度之間的關(guān)系

圖3 在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA242D上測(cè)定的橡膠彈性模量E'與試驗(yàn)溫度及壓縮變形頻率之間的關(guān)系

圖4 在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀DMA242D上測(cè)定的橡膠損耗模量E''與試驗(yàn)溫度及壓縮變形頻率之間的關(guān)系

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可以確認(rèn)，用牌號(hào)為OMCARB CН85的炭黑代替乙炔炭黑制造輪胎，可在保持膠料工藝性能及橡膠高強(qiáng)度性能的同時(shí)，改善其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，且可使橡膠在高溫下滯后損失降低，而在低溫下，滯后損失提高。這可能是填充劑生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傾向性較低所致。

文中的研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)性能得到改善的橡膠制品（包括輪胎，特別是大型輪胎及在動(dòng)態(tài)條件下工作的橡膠工業(yè)制品）具有重要的意義。

[1] MоиCeeвCкaя Г B. ИCлeдовaниe элeктропро водного тeхничeCкого углeродa Ceрии OMCARB [J]. кaучук и рeзинa, 2014(02)：38-42.

[責(zé)任編輯：張啟躍]

TQ 330.38+1

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1671-8232(2017)05-0021-03

2016-03-10