硫化胶中炭黑燃烧特性的研究

贾爱瑞，张丽杰，路 波，魏 胜

（山东玲珑轮胎股份有限公司，山东 招远 265400）

炭黑是轮胎生产中的重要补强填料，在硫化胶中起补强作用，它对轮胎物理性能的影响很显著[1]。炭黑原材料质量管控有非常全面的检测手段，但对于硫化胶中的炭黑而言，提取工作较复杂，而且提取成分会受其他种类填料的影响，以致于难以准确地进行分析。

本工作主要研究硫化胶中的炭黑所展现出的燃烧特性与对应炭黑原材料特性的关系。

1 实验

1.1 主要原材料

炭黑N134，N234，N220，N330，N339，N375，N550，N660，卡博特化工（天津）有限公司产品；含炭黑硫化胶片，实验室自制。

1.2 主要仪器

4000e型全自动比表面积及孔隙度分析仪，美国康塔公司产品；TGA/DSC1型热重（TG）分析仪，瑞士梅特勒-托利多公司产品；TYPE C型吸油计，德国布拉本德公司产品；TBY-70型炭黑压缩机，中昊黑元化工研究设计院有限公司产品。

1.3 试样制备

采用相同的常规炼胶工艺和硫化工艺制备8种炭黑（炭黑N134，N234，N220，N330，N339，N375，N550，N660）硫化胶片（除了炭黑品种不同外，其余配方组分及用量完全相同，且补强体系采用纯炭黑，生胶体系采用天然橡胶）。

1.4 性能测试

（1）按照GB/T 14837.1—2014《橡胶和橡胶制品 热重分析法测定硫化胶和未硫化胶的成分第1部分：丁二烯橡胶、乙烯-丙烯二元和三元共聚物、异丁烯-异戊二烯橡胶、异戊二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶》，采用TG分析仪对丙酮抽提后的同一硫化胶试样进行多次重复测试，确定TG曲线上重现性好的硫化胶中炭黑燃烧特征温度。

（2）按照GB/T 3780.4—2017《炭黑 第4部分：压缩试样吸油值的测定方法》，采用炭黑压缩机和吸油计对8种炭黑进行压缩吸油值测试。

（3）按照GB/T 10722—2014《炭黑 总表面积和外表面积的测定 氮吸附法》，采用全自动比表面积及孔隙度分析仪测定8种炭黑的氮吸附表面积。

2 结果与讨论

2.1 硫化胶中炭黑燃烧特征温度的确定

重点考察TG曲线上的拐点温度和中点温度[2-5]。拐点温度为样品质量损失速率最大时的温度，即炭黑燃烧速率最快时对应的温度；中点温度为样品质量损失台阶质量1/2时对应的温度。为考察两者的稳定性，对同一样品分别进行6次平行试验，结果见表1。

表1 同一样品TG曲线的拐点温度和中点温度

从表1可以看出，同一样品TG曲线的拐点温度较中点温度测量的重复性好，故确定拐点温度为硫化胶中炭黑燃烧特征温度。

2.2 硫化胶中炭黑燃烧特征温度与对应炭黑压缩吸油值的相关性

相关研究表明，含有4种不同种类炭黑（N990，N121，N550和N115）的硫化胶中炭黑燃烧中点温度（采用TG分析表征）与相应炭黑压缩吸油值有较好的线性相关性[6]。本研究对硫化胶进行丙酮抽提处理，将胶料中的其他配合剂萃取出来后再进行TG分析。硫化胶中炭黑燃烧特征温度和对应炭黑压缩吸油值的测试结果见表2，二者相关性见图1。

表2 硫化胶中炭黑燃烧特征温度和对应炭黑压缩吸油值的测试结果

图1 硫化胶中炭黑燃烧特征温度与炭黑压缩吸油值的相关性

从图1可以看出，胶料中炭黑燃烧特征温度与对应炭黑压缩吸油值呈显著线性关系，线性回归方程为y＝-0.451 9x＋314.4，相关因数（R2）为0.806 9。

2.3 硫化胶中炭黑燃烧特征温度与对应炭黑氮吸附表面积的相关性

硫化胶中炭黑燃烧特征温度和对应炭黑氮吸附表面积的测试结果见表3，二者相关性见图2。

表3 硫化胶中炭黑燃烧特征温度和对应炭黑氮吸附表面积的测试结果

图2 硫化胶中炭黑燃烧特征温度与对应炭黑氮吸附表面积的相关性

图2表明，炭黑燃烧特征温度与对应炭黑氮吸附表面积呈显著线性关系，线性回归方程为y＝1.766 2x＋960.78，R2为0.954 1。

分析认为：硫化胶中炭黑燃烧特征温度与对应炭黑压缩吸油值和氮吸附表面积有较好的线性关系是因为炭黑压缩吸油值描述了生产过程模拟条件下炭黑表面积的大小，压缩吸油值越大，炭黑的真实结构度越高，表面积越大；而炭黑的燃烧行为与其有效面积有关，表面积越大，炭黑颗粒尺寸越小，越容易燃烧[7]，燃烧特征温度越低。

3 硫化胶中炭黑燃烧特性的实际应用

3.1 炭黑品种分析

利用硫化胶中炭黑燃烧特性可以对硫化胶（其他部门送检胶料，已知A和B试样中炭黑属于1，2系列）中未知炭黑品种进行分析判定。根据硫化胶TG分析得到炭黑的燃烧特征温度，通过上述线性回归方程可以推导出对应炭黑的压缩吸油值和氮吸附表面积，从而推断可能用到的炭黑品种。

硫化胶中炭黑品种实际分析案例见表4。

表4 硫化胶中炭黑品种分析案例

从表4可以看出，通过硫化胶中炭黑燃烧特征温度推导出炭黑的压缩吸油值和氮吸附表面积，可以较准确地分析判定硫化胶中炭黑品种。

3.2 分散性评价

硫化胶在氮气气氛下裂解后，炭黑的有效燃烧面积就暴露出来。在同一品种炭黑用量相同的条件下，炭黑的分散均匀性较好时，橡胶分子裂解后暴露出的有效燃烧面积大[见图3（a）]，故炭黑燃烧特征温度更低；炭黑的分散均匀性较差时，橡胶分子裂解后暴露出的有效燃烧面积偏小[见图3（b）]，故炭黑燃烧特征温度更高。因此，硫化胶中炭黑燃烧特征温度在一定程度上可以评价炭黑分散的均匀性。

图3 橡胶分子裂解后暴露出的有效燃烧面积

4 结论

硫化胶中炭黑燃烧特征温度与对应炭黑的压缩吸油值和氮吸附表面积均呈显著线性关系，R2分别为0.806 9和0.954 1；根据线性回归方程推导出硫化胶中炭黑的压缩吸油值和氮吸附表面积，可以判定硫化胶中的炭黑品种；硫化胶中炭黑燃烧特征温度低，在一定程度上可以表明炭黑分散性好，反之，则表明炭黑分散性差。