不同粒徑炭黑在輪胎胎面膠中的應用研究

郭良博，邵 路，王 宏，呂宏濤

（青島黑貓炭黑科技有限責任公司，山東 青島 266042）

炭黑是橡膠工業用第二大原材料[1]，主要應用于輪胎中。激烈的市場競爭使得炭黑行業發展進入了關鍵時期。深入的炭黑基礎研究對開發炭黑新品種、促進其應用具有重要意義。炭黑對橡膠的補強作用是由炭黑特有的基本性質決定的，炭黑粒徑越小，結構度越高，其補強性能越好[2-3]。粒徑大小與炭黑的結構度、著色強度、表面活性等緊密相關，國內外對炭黑粒徑相關內容進行了大量研究[4-7]。本工作研究不同品種炭黑的理化性質及粒徑特性，并從粒徑角度出發探討不同品種炭黑對輪胎胎面膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）、氧化鋅和硬脂酸，中昊黑元化工研究設計院有限公司提供；炭黑N134、炭黑N234、炭黑N220、炭黑N375和炭黑N550，江西黑貓炭黑股份有限公司產品。

1.2 試驗配方

NR 80，SBR 20，炭黑（變品種） 50，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑RD 1.5，防老劑4020 1.5，硫黃 1.2，促進劑TBBS 1.4，防焦劑CTP-100 0.2。

1.3 主要設備和儀器

XSM-1/10-120型1 L密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；XKL-150型開煉機，廣東湛江機械制造集團公司產品；XLD-D400×400×2平板硫化機，湖州東方機械有限公司產品；DGAV型炭黑分散度儀、MV2000型門尼粘度儀、MDR Premier型硫化儀和2020-DC型拉力試驗機，美國阿爾法科技有限公司產品；GT-7042-RE型回彈試驗機、GT-RH-2000N型壓縮生熱機和GT-7012-A型阿克隆磨耗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；GeminiVII2390型全自動表面積分析儀，美國Micromeritics公司產品；DBP-C型炭黑吸油計，德國Brabender公司產品；BI-DCP型圓盤式離心沉降儀，美國Brookhaven公司產品。

1.4 試樣制備

膠料采用2段混煉工藝。一段混煉在1 L密煉機中進行，混煉工藝為：生膠→壓壓砣→炭黑→壓壓砣→小料→壓壓砣→排膠（≤150 ℃）→在開煉機上割刀2—3次，下片，停放。二段混煉在開煉機上進行，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣→硫黃和促進劑→壓壓砣→排膠（≤120 ℃），在開煉機上割刀1次→打三角包6遍→割刀2—3次→下片，停放。

膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為150℃×30 min。

1.5 測試方法

（1）粒徑。采用圓盤式離心沉降儀進行測試。稱取一定量樣品，加入乙醇并在粉碎機中超聲處理3 min，取出冷卻至室溫；在規定時間內加入定量的曲拉通溶液（非離子型表面活性劑）；取上層分散液置于圓盤式離心沉降儀中進行測試。

（2）分散度。使用炭黑分散度儀進行測試。

（3）膠料其他各項性能均按照相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化性能

根據ASTM D1765炭黑命名規則，炭黑命名時第1個數字表示比表面積，常用吸碘值和BET比表面積進行表征[8-9]。吸油值表征炭黑一次結構與二次結構的總和，壓縮吸油值表征炭黑的一次結構。炭黑一次結構較堅固[10]，其在橡膠混煉過程中不易被破壞。炭黑從形貌可分為原生粒子、聚集體和附聚體。炭黑原生粒子粒徑一般為10～100 nm，聚集體粒徑即炭黑粒徑一般為50～500 nm，附聚體粒徑在1 μm以上。

不同粒徑炭黑的理化性能如表1所示。

從表1可以看出：隨著炭黑粒徑的增大，吸油值和壓縮吸油值呈減小趨勢，說明結構度逐漸降低，比表面積減小；炭黑N375的粒徑分布寬度系數最小，說明其分散性更差。粒徑分布寬度系數是表征炭黑分散性的重要參數。

2.2 門尼粘度和硫化特性

不同粒徑炭黑混煉膠的門尼粘度和硫化特性如表2所示。

從表2可以看出：炭黑N134膠料的門尼粘度較大，說明其加工能耗較大，加工性能較差；炭黑N550膠料的門尼粘度較小，這從其粒徑及結構度大小可以得到解釋，粒徑小、結構度高的炭黑N134分散到膠料中更困難；隨著炭黑粒徑的增大，膠料的門尼焦燒時間逐漸延長，結合試驗變量考慮，粒徑是影響焦燒時間的重要因素；炭黑N134膠料的t90較長，這是由于炭黑N134粒徑較小，補強性能較好，交聯密度較高；炭黑N550膠料的t90偏長，這是由于炭黑N550粒徑大，分散性好。

2.3 物理性能

不同粒徑炭黑硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 不同粒徑炭黑硫化膠的物理性能

從表3可以看出，炭黑N134膠料的拉伸強度和撕裂強度較大，阿克隆磨耗量較小，說明耐磨性能較好，壓縮疲勞溫升較高，這與炭黑N134粒徑小、比表面積大有關。炭黑粒徑直接影響硫化膠的物理性能，在一定條件下炭黑粒徑越小，硫化膠的強度越高，耐磨性能越好，輪胎的安全系數越高，使用壽命越長。

2.4 分散性

不同粒徑炭黑在膠料中的分散性測試結果分別如表4和圖1所示。

表4 不同粒徑炭黑在膠料中的分散性

炭黑在膠料中的分散性與其粒徑關系密切，炭黑粒徑小，有利于提高膠料的拉伸性能[11-12]。炭黑以聚集體形式存在于膠料體系中，從表4和圖1可知：炭黑N134的分散系數較大，白區面積較小，分散等級較高；炭黑N375和炭黑N550出現明顯地團聚，說明其分散性較差，這與常規認知并不一致，即大粒徑炭黑的分散性并沒有在本工作配方中體現出優勢，分析認為：一是胎面膠混煉采用2段工藝，小粒徑炭黑在混煉中得到了充分分散；二是在混煉過程中粒徑較大炭黑的少量粒子團聚，尺寸更大，易被儀器捕捉識別。這為進一步研究炭黑粒徑大小與分散性的關系提供了重要參考。

3 結論

（1）炭黑的粒徑越大，比表面積越小，結構度越低。

（2）隨著炭黑粒徑的增大，膠料的門尼粘度降低，交聯密度減小，硫化膠的強度和耐磨性能降低，生熱減小。

（3）小粒徑炭黑N134、炭黑N234和炭黑N220在膠料中的分散性好于大粒徑炭黑N375和炭黑N550。