新型低滞后炭黑对硫化胶物理性能及动态生热的影响

李旭,于祥,林尧 ,邓涛

(青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042)

炭黑是由含炭颗粒在火焰中不完全氧化而形成的团聚体组成的,这些团聚体会相互结合而成附聚体和网状结构,当胶料变形时后者又会完全分离成其原先的组成单元团聚体。炭黑的最重要性能之一是比表面积,以m2/g表示。一般说来,炭黑的疏松度越高每一团聚体中的颗粒数Np越多但是DBPA值与Np之间的对应关系还在某种程度上决定于炭黑的制作方法。橡胶制品受到的力是交变的，即应力呈周期性变化，因此有必要研究硫化胶的动态力学性质。橡胶制品动态条件下使用特点是一定变形下，频率较高，基本上处于平衡状态下是一种非破坏的性质。橡胶动态模量会受炭黑影响，加入炭黑使弹性模量、损耗模量均增加。炭黑的比表面积大、活性高、结构高均使弹性模量、损耗模量增加，而损耗模量、损耗因子大会使生热增大。橡胶制品在动态下使用要求具有一定的物理机械强度且温升要低以增加橡胶制品的使用寿命。因此通过使用低滞后炭黑，在保证物理机械性能的前提下降低动态生热具有理论与应用价值[1～10]。

1 实验部分

1.1 原材料

NR，越南3L标准胶；黑猫HM-G411炭黑，江西黑猫炭黑有限公司；BR9000，中国石化；N330炭黑，江西黑猫炭黑有限公司；N660炭黑，江西黑猫炭黑有限公司；其他药品均为市售。

1.2 设备与仪器

SK-160B型双辊开炼机，上海橡胶机械厂；平板硫化机，LCM-3C2-G03-LM，深圳佳鑫电子设备科技有限公司；GT-7017-M型老化箱，台湾高铁公司；硫化仪，M-3000A，台湾高铁公司；门尼黏度仪，MV-3000，台湾高铁公司；电子拉力机，JDL-2500N，天发试验机械有限公司；橡胶加工分析仪，RPA2000，ALPHA公司。

1.3 性能测试

硫化性能：按GB/T 16584—1996测试，硫化温度150℃；拉伸性能：采用电子拉力试验机按照GB/T 528—1998进行测试，拉伸速度为500 mm/min，测试温度为室温；热空气老化：按GB/T 3512—2001测试，在100℃下老化24 h；邵尔硬度按GB/T531.1—2008测定；动态压缩变形：测量压缩生热样高度h1，压缩生热测试完毕后试样常温静置1 h后测试试样高度h2，变形率为（h1- h2）/h1

1.4 试样制备

表1为试验方设计的配方组成。

表1 试验配方

配方中其他成分：天然胶 65；BR9000 35；再生胶 87；小料 18；补强填充体系 63；防老体系 3.5；硫化体系 6.8。

1.4.1 混炼

开炼机调整辊距，将塑炼好的NR、BR9000、再生胶放入辊隙，使之包辊产生适量堆积胶，加入小料、补强填充体系、硫化体系，切割翻炼，薄通后打三角包5～6次，调整辊距及挡胶板至合适距离后下片，停放8 h以上待用。

1.4.2 硫化

胶料的硫化条件：采用平板硫化机硫化，硫化温度为150℃，硫化压力不小于10 MPa，硫化时间为各胶料的硫化曲线tc90对应的时间。

2 结果与讨论

2.1 HM-G411炭黑对硫化胶硫化性能及门尼黏度的影响

由于硫化特性与门尼黏度是压缩胶硫化、加工的重要保障，因此研究了HM-G411对V带压缩胶硫化性能及门尼黏度的影响。

表2为HM-G411炭黑对硫化胶硫化性能的影响。

表2 HM-G411对硫化胶硫化特性的影响

由表2可以看出，随着HM-G411炭黑替代N330的量不断增加，T10略有增加，这有利于提高加工安全性，同时T90、MH-ML均增大，说明HMG411相较于N330分散性更好形成了更多的物理交联网络从而使得T90、MH-ML增大。

HM-G411炭黑对硫化胶门尼黏度的影响见图1。由图1可知，随着HM-G411替代N330的量增加门尼黏度有所增大，说明HM-G411相比N330形成了更多的物理交联键，但门尼黏度增加幅度不大因此并不影响混炼胶的加工性能。

2.2 HM-G411炭黑对硫化胶物理机械性能的影响

物理机械性能是压缩胶使用性能的重要保障，因此研究了HM-G411炭黑替代量对硫化胶物理机械性能的影响。

图1 HM-G411对硫化胶门尼黏度的影响

HM-G411炭黑替代量对硫化胶物理机械性能的影响见图2。由图2可知，对拉伸强度来说，HMG411补强效果要差于N330，在N330/HM-G411为12/36时拉伸强度相对较高；对扯断伸长率来说，HM-G411效果也要差于N330，也是在N330/HMG411为12/36时扯断伸长率相对较高；100%定伸应力、200%定伸应力、300%定伸应力曲线相差不大与扯断伸长率图线相反，符合常规规律；随着HMG411替代N330的量增加，对邵尔A硬度、动态压缩永久变形影响不大。

2.3 HM-G411炭黑对硫化胶动态生热的影响

损耗因子（tanδ）即黏弹性材料在交变力场作用下应变与应力周期相位差角的正切，也等于该材料的损耗模量与储能模量之比。同时tanδ也是衡量橡胶制品动态生热的重要指标，也是评价动态制品使用效果的重要参数。

故考察了HM-G411炭黑对硫化胶tanδ的影响。

由图3可知，相同配比的N330/HM-G411随着测试温度的升高，硫化胶tanδ逐渐降低。在不同的测试温度下曲线规律类似，HM-G411用量在24份之前硫化胶tanδ降低较为缓慢，当N330/HM-G411配比为12/36时硫化胶tanδ达到最低值；之后HM-G411用量在增加硫化胶tanδ变化不大。硫化胶tanδ降低源于两方面，一方面由于HM-G411本身具有的低结构可以降低硫化胶的滞后损失；另一方面由于HMG411提高了硫化胶交联程度，在一定范围内增大交联程度会降低硫化胶tanδ。

3 结论

（1）随着HM-G411炭黑替代N330的量不断增加，T10略有增加同时T90、MH-ML均增大。

图2 HM-G411对物理机械性能的影响

（2）随着HM-G411炭黑替代N330的量不断增加，HM-G411补强效果要差于N330；扯断伸长率也要差于N330；100%定伸应力、200%定伸应力、300%定伸应力有所增大；邵尔A硬度、动态压缩永久变形影响不大。

图3 HM-G411对动态生热的影响

（3）随着测试温度升高，硫化胶tanδ逐渐降低。在不同的测试温度下曲线规律类似，HM-G411用量在24份之前硫化胶tanδ降低较为缓慢，当N330/HM-G411配比为12/36时硫化胶tanδ达到最低值；之后HM-G411用量在增加硫化胶tanδ变化不大。

[1] 刘其林，董长征.降低轮胎滚动阻力方法的初步探讨[J].轮胎工业，1999，(19)：13l～136.

[2] Perkio R， Juopperi A .Light weight for summer performance[J].Tire Technology International，1997，44．

[3] 何燕，马连湘，黄素逸，等．轮胎橡胶材料生热率的测定及分析 [J]橡胶工业，2004,l5(1)：53～55．

[4] 危银涛，杨挺青，马六成，等．炭黑填充橡胶复合材料动态力学性能和生热预报[J].轮胎工业，2000，20(6)：336．

[5] 崔俞，冯圣玉，杜华太，等.橡胶压缩永久变形性能影响因素分析及研究 [J].航天制造技术，2014，31(3)：2～5．

[6] 陆永俊，刘江伟，张艳霞，等．影响负重轮橡胶材料压缩疲劳生热性能因素的研[J].特种橡胶制品，2010，31(1)：36～37．

[7] 吴向东.影响硫化橡胶压缩永久变形性能的因素[J].广东橡胶，2005(3)6～7．

[8] 张安强，姚钟尧.炭黑和操作油对黏弹性能和轮胎抗湿滑性的影响 [J].世界橡胶工业，2003，30(1)：23～28．

[9] H Takino，H Takahashi.Effect of carbon black an d procession oilon viscoel astic properties and tire resistance[J]．Tire Science ＆ Technology，1998，26(24)：24l～257．

[10] 何燕，马连湘，黄素逸，等．轮胎橡胶材料生热率的测定及分析 [J]．橡胶工业，2004，15l(1)：53～55．