偶聯(lián)炭黑的研發(fā)及其對硫化膠性能的影響

來林華

(杭州中策清泉實業(yè)有限公司，浙江 杭州 310000)

1 偶聯(lián)炭黑研發(fā)的背景

1980年，在輪胎中普遍推廣使用新工藝炭黑以來，炭黑研究人員就關(guān)注到新工藝炭黑的高生熱和引起輪胎質(zhì)量缺欠的問題。

隨著民眾環(huán)境 安全理念的提高，環(huán)保安全法規(guī)的日趨嚴格，對輪胎性能提出了許多新的要求：①胎面有良好的耐磨性和較高的行速里程；②有低滾動阻力，從而節(jié)省燃油， 減輕對環(huán)境的污染；③提高抗老化性、氣壓保持性和較高的翻新性，以延長輪胎的使用壽命；④提高干濕路面及冰雪路面上輪胎抓著力，保證行車安全性。

1990年米其林公司提出綠色輪胎的概念，1992年，米其林公司研制的乘用車綠色輪胎，使用高分散白炭黑/硅烷填料體系和特種溶聚丁苯膠，在不損壞胎面耐磨性能的條件下，降低了輪胎滾動阻力還改善了抗?jié)窕阅?。白炭黑胎面膠料的開發(fā)，展示了它在輪胎中應(yīng)用的亮點，同時也暴露了缺點：①較差的胎面磨耗；②改變了輪胎原有配方，需要附加混煉過程，改變混煉和成型工藝；③較高的生產(chǎn)成本；④白炭黑膠料較低的電導(dǎo)性，引起了一些儀電性能安全缺陷。市場迫使白炭黑研究人員和制造商加快了改進的步伐。

自白炭黑∕硅烷體系胎面膠輪胎1995年投放市場以來， 這個補強體系仍在不斷改進，在不斷地擴大它的市場份額。目前在歐洲，乘用車胎面膠中已有80%的炭黑被白炭黑所取代。對炭黑制造商、炭黑工作者來說，這是一個非常嚴酷的現(xiàn)實！這迫使全球的炭黑公司加大開發(fā)力度，研發(fā)新型填料。

炭黑研發(fā)人員借鑒米其林公司綠色輪胎的思路，臆想研發(fā)炭黑∕硅烷偶聯(lián)劑硫化膠體系達到改進輪胎工業(yè)對填料的改善滾動阻力（節(jié)油）、抗?jié)窕裕ò踩裕┖吞ッ婺湍ゾC合性能（壽命、噪聲）的要求，提出了偶聯(lián)炭黑的研發(fā)。

2 偶聯(lián)炭黑的研發(fā)

利用硅烷偶聯(lián)劑與炭黑接枝，使硅烷偶聯(lián)劑均勻地包裹在炭黑表面上，制取硅烷偶聯(lián)炭黑，在混煉中改善與基質(zhì)膠等多相體系的界面相容性，使其易分散和易混，加快和增加炭黑對表面吸附物的吸收速度和吸收量，提升膠料的動態(tài)性能，降低滾動阻力、增加抗?jié)窕?，提高胎面耐磨性和運行安全性、平穩(wěn)性，改善橡膠的發(fā)熱性和增強橡膠的抗熱老化性的作用。

偶聯(lián)炭黑的研發(fā)采用新工藝炭黑生產(chǎn)線上外加一臺偶聯(lián)劑添加設(shè)備，在流程中加入偶聯(lián)劑，連續(xù)生產(chǎn)偶聯(lián)炭黑。

探索試驗是在硬質(zhì)炭黑生產(chǎn)線上進行。在流程中外加一臺偶聯(lián)劑乳化設(shè)備及噴入裝置。炭黑反應(yīng)爐正常生產(chǎn)炭黑，偶聯(lián)劑添加器按偶聯(lián)要求噴入乳化偶聯(lián)劑，制取偶聯(lián)炭黑。在探索試驗中，炭黑反應(yīng)爐按N234工藝生產(chǎn)炭黑，偶聯(lián)劑用Si69，生產(chǎn)N234的偶聯(lián)炭黑N2301。對N2301、進口N134和進口2125采用相同的硫化橡膠體系制取硫化膠試樣，對其進行檢測。

3 實驗

3.1 原材料

天然膠(NR），天然橡膠，泰國泰標20#；釹系順丁膠，北京燕山石化公司；炭黑N2301，杭州中策清泉實業(yè)有限公司；偶聯(lián)劑Si69，浙江金茂公司；N134， CABOT公司產(chǎn)品；2125，CABOT公司產(chǎn)品；其他為國內(nèi)常用供應(yīng)商產(chǎn)品。

炭黑試樣的化學(xué)數(shù)據(jù)見表1。

表1 炭黑試樣的化學(xué)數(shù)據(jù)

3.2 實驗配方表2

硫化橡膠體系實驗配方見表2。

表2 實驗配方表

3.3 主要設(shè)備與儀器

S(X)K-160A(6")開煉機，上海德豐機電設(shè)備有限公司；XLB-U600×600平板硫化機，浙江湖州東方機械有限公司；Automfr100+流變儀，上海諾甲儀器儀表有限公司；Y3000E壓縮升熱試驗機；北京友深電子儀器有限公司；EPLEXOR動態(tài)黏彈熱譜分析儀，德國GABO公司。

3.4 混煉工藝

混煉工藝流程見表3所示。

本實驗使用開煉機法：

（1）炭黑在稱量和混煉前應(yīng)在(125±2)℃烘箱中烘1 h。

（2）將混煉機輥距調(diào)至1.4 mm，輥溫控制在（70±5)℃。

表3 混煉工藝程序 （145℃×30 min）

（3）加天然橡膠使之包于前輥，割刀2次，時間為2 min。

（4）調(diào)輥距為1.65 mm，加硬脂酸，割刀1次，時間為2.5 min。

（5）加硫磺、促進劑和氧化鋅，割刀2次，時間為2 min。

（6）加入全刀3次，時間為7.5 min。

（7）均勻加入全部炭黑，割刀2次，再將輥距調(diào)至1.9 mm，將散落在接料盤中的炭黑全部混入后，割0.8 mm，將打卷膠料豎立通 過輥隙6次。

（8）調(diào)輥距使膠片厚度不小于6 mm，將折疊的膠料片在輥隙間通過4次，時間為1 min。上述操作總計時間為(17.0±0.5)min。

（9）復(fù)核膠料重量并記錄?；鞜捄蟮哪z料質(zhì)量如果超出480.9～485.7 g范圍，則此輥膠料作廢。試樣制備膠料在開煉機上進行塑煉和混煉，混煉膠采用流變儀測定，在電平板硫化機上硫化。

3.5 膠料性能

膠料的性能數(shù)據(jù)見表4，輪胎檢測數(shù)據(jù)見表5。

從表4、表5中膠料性能數(shù)據(jù)對比可以看出：

（1）采用相同配方和相同硫化工藝的情況下，N2301膠料60℃時tanδ小，即N2301的輪胎制品的滾動阻力優(yōu)于N2125硫化膠,更優(yōu)于N234硫化膠的滾動阻力。N2301硫化膠比常規(guī)炭黑和2125硫化膠的滾動阻力低5.4%，表明N2301硫化膠輪胎比其他硫化膠輪胎的耐磨性好，使用壽命長，節(jié)能降耗。

（2）N2301硫化膠比N134硫化膠的壓縮疲勞溫升低7.7℃，與N134硫化膠相比降低了43%（壓縮數(shù)據(jù)不考慮，因膠料模量不同）。說明N2301硫化膠的滯后損失小。

（3）N2301試驗胎的耐久性上肩部裂與N134同等水平，但好于N2125，溝底裂也要好于N2125。

（4）使用富陽N2301的試驗胎其耐熱性最好，同N2125胎相比提升了19%。

表4 膠料性能數(shù)據(jù)

表5 輪胎機床測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

（1）N2301硅烷偶聯(lián)炭黑應(yīng)用在硫化橡膠體系中，N2301偶聯(lián)炭黑新產(chǎn)品在混煉中改善了與基質(zhì)膠等多相體系的界面相容性，使其易分散和易容混，可進一步發(fā)揮炭黑的補強功能。N2301硅烷偶聯(lián)炭黑起到增加硫化膠的耐磨性，降低硫化膠的滾動阻力,改善了硫化膠的動態(tài)性能。

（2）硅烷偶聯(lián)炭黑的研發(fā)采用新工藝炭黑生產(chǎn)線上外加一臺添加偶聯(lián)劑添加設(shè)備，在流程中加入偶聯(lián)劑，連續(xù)生產(chǎn)硅烷偶聯(lián)炭黑,既保證原生產(chǎn)線的正常運行又達到改變性質(zhì)的效果。

（3）本試驗僅做了N234的硅烷偶聯(lián)炭黑N2301；可以依據(jù)市場需求，進行系列硅烷偶聯(lián)炭黑的研發(fā)和應(yīng)用。

（4）偶聯(lián)劑有多個品種，本試驗給多品種的偶聯(lián)炭黑的開發(fā)開辟了一條全新的路徑。

（5）炭黑/偶聯(lián)劑硫化橡膠體系可為輪胎的滾動阻力、耐磨性和濕滑性能的三者相悖的“魔鬼三角”