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
B
1671-8232(2017)05-0021-03
2016-03-10