橡膠用炭黑新品種 送《世界橡膠工業(yè)》.doc

橡膠用炭黑的新品種 郭雋奎對(duì)橡膠用炭黑而言，新品種大體可分為兩類。一類是對(duì)原有的ASTM品種性能的改進(jìn)，像低滯后炭黑、白炭黑-炭黑雙相填料、納米結(jié)構(gòu)炭黑和超純炭黑等。另一類是比表面積和結(jié)構(gòu)已超出傳統(tǒng)ASTM炭黑范圍之外的若干品種或品種系列，如高性能炭黑以及一些工業(yè)橡膠制品的專用品種等。1 輪胎用新品種近年來，輪胎工業(yè)圍繞環(huán)保和安全兩大主題，輪胎性能向著低滾動(dòng)阻力、高牽引性、良好的耐磨性和耐久性方向發(fā)展。輪胎工業(yè)這種明確的發(fā)展目標(biāo)，促進(jìn)了炭黑新品種的開發(fā)和應(yīng)用研究。國(guó)外炭黑生產(chǎn)商，紛紛加大科研投入，開發(fā)新品種炭黑并將其商品化。高性能炭黑，是為適應(yīng)高性能輪胎和賽車輪胎的需求。低滯后炭黑和超高結(jié)構(gòu)炭黑，以及更高層次的納米結(jié)構(gòu)炭黑和雙相炭黑等新品種的使用，使輪胎在保持胎面耐磨性能的前提下，輪胎的綜合性能也得到改善。這些新品種炭黑的最大優(yōu)點(diǎn)是，不用重新設(shè)計(jì)膠料配方，只簡(jiǎn)單地通過使用具有相同比表面積的新型炭黑，等量或近于等量替代普通的品種，即可改善膠料的綜合性能。1.1 高性能輪胎用品種 高性能炭黑 它是超出傳統(tǒng)ASTM炭黑范圍之外的一個(gè)品種系列，由于它主要用于高性能輪胎和賽車輪胎的胎面膠中，因此而得名。所謂的高性能輪胎，其實(shí)并沒有一個(gè)嚴(yán)格的定義，通常是指容許行駛速度等級(jí)在S級(jí)（180km/h）以上，通常為H級(jí)（210km/h）、V級(jí)（240km/h）和Z級(jí)（240km/h以上）的低斷面乘用車胎。這種輪胎的特點(diǎn)是，在高速行駛下，必須具有最佳的操縱性能和最佳的干路面抓著力，而滾動(dòng)阻力就相對(duì)沒那么重要了。因此，對(duì)這種輪胎而言，抗?jié)窕阅茌^差，而冰雪路面牽引性能極差，都是允許的。高性能輪胎的胎面膠使用的高性能炭黑，比N100系列的粒子還細(xì)；其典型值為，氮表面積172 m2/g，吸碘值180 mg/g，吸油值138 ml/100g。賽車輪胎的胎面膠使用的高性能炭黑，則粒子更細(xì)，而結(jié)構(gòu)也更高；其典型值為，氮表面積190 m2/g以上，吸碘值200 mg/g以上，吸油值150 ml/100g。只有這樣的，才有利于在極端苛刻的行駛條件下，保障輪胎的操縱性能和力學(xué)穩(wěn)定性能?？磥恚@類炭黑，與早期的低滯后炭黑的性能相反，賦予膠料較高的滯后性能。 目前，市售的高性能炭黑，卡博特公司有CRX 1346、Vulcan1391、Vulcan1436和Vulcan10；德固薩公司有Corax HP 160；哥倫比亞公司有HV 3396和CD2019 。 1.2 低滾動(dòng)阻力輪胎用品種自上世紀(jì)80年代中期，為了節(jié)省汽車的燃油消耗，西方各國(guó)政府，特別是美國(guó)聯(lián)邦政府，制訂有關(guān)法規(guī)，強(qiáng)制要求每公升汽油必須行駛的公里數(shù)。因此，降低滾動(dòng)阻力是轎車輪胎，尤其是載重輪胎優(yōu)先要考慮的問題。由于載重輪胎的負(fù)荷較高，滾動(dòng)阻力對(duì)其燃油消耗的影響，比對(duì)轎車輪胎的影響更大。若輪胎的滾動(dòng)阻力降低3%，汽車的燃油消耗可降低1%。因此，要獲得顯著的節(jié)油效果，滾動(dòng)阻力至少要降低10%。于是，各炭黑生產(chǎn)商，紛紛研制和開發(fā)低滾動(dòng)阻力的炭黑品種；通過改進(jìn)爐法工藝過程，生產(chǎn)出幾種新型炭黑來。這類低滾動(dòng)阻力炭黑，在能夠降低輪胎滾動(dòng)阻力和生熱的同時(shí)，保持較好的胎面耐磨性能。低滯后炭黑 其特征是聚集體分布相對(duì)較寬，著色強(qiáng)度較低。這是因?yàn)樘ッ婺z料，在中等苛刻度的條件下，其耐磨性能主要取決于炭黑的粒徑，而聚集體尺寸分布，影響著膠料的滯后性能。炭黑的聚集體尺寸分布較寬，膠料的滯后性能亦較低。目前，市售的低滯后炭黑，主要是大陸炭公司的產(chǎn)品；它們是LH 10，LH 20，LH 30和LH 35等。超高結(jié)構(gòu)炭黑 它系指DBP吸油值和壓縮DBP吸油值（即24M4 DBP）約分別為170cm3/100g和120cm3/100g，甚至更高的炭黑。這類炭黑的特征是，聚集體分布相對(duì)較寬，即小的聚集體嵌入到大的聚集體中，這樣會(huì)提高其有效填充密度，有助于降低胎面膠的滾動(dòng)阻力。超高結(jié)構(gòu)炭黑，在輪胎的胎面膠中，與普通炭黑相比，可以在較低的用量下?lián)碛休^高的增強(qiáng)作用，從而在降低胎面膠滾動(dòng)阻力的同時(shí)，保持其較好的耐磨性。目前，市售的超高結(jié)構(gòu)炭黑，卡博特公司有Vulcan5H；哥倫比亞公司有CD 2005、CD 2038和CD 2045。 1.3 綠色輪胎用品種自綠色輪胎問世以來，白炭黑/硅烷體系開始用于胎面，使輪胎兼有良好的胎面耐磨性、行駛安全性(主要是抗?jié)窕?和低滾動(dòng)阻力。顯然，人們對(duì)輪胎的性能要求，已不僅是考慮滾動(dòng)阻力和胎面耐磨二者之間的平衡，而抗?jié)窕砸惨玫礁纳?。但是，?duì)用常規(guī)炭黑補(bǔ)強(qiáng)的胎面膠料而言，這3種性能是相互矛盾的。也就是說，改善其中一種性能，其他兩種性能必定會(huì)受到傷害。因此，綠色輪胎的出現(xiàn)，對(duì)炭黑工業(yè)提出了挑戰(zhàn)。白炭黑/硅烷填料體系，在改善膠料滯后性能方面，為人們揭示出化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)作用的本質(zhì)。白炭黑經(jīng)硅烷改性之后，硅醇基復(fù)蓋白炭黑表面，與聚合物大分子形成足夠多的化學(xué)鍵，從而增強(qiáng)了膠料中填料-聚合物間的相互作用，削弱了填料-填料間網(wǎng)絡(luò)的形成能力?？磥恚鰪?qiáng)填料-聚合物間的相互作用，削弱填料-填料間的網(wǎng)絡(luò)形成能力，是降低膠料滯后性能，改善滾動(dòng)阻力和抗?jié)窕阅艿年P(guān)鍵。炭黑對(duì)聚合物的補(bǔ)強(qiáng)主要是物理作用。炭黑表面吸附彈性體分子鏈段的高能點(diǎn)，主要是炭黑微晶的棱邊，它取決于其表面微觀形態(tài)。雙相炭黑 它是卡博特公司開發(fā)的新品，又叫白炭黑-炭黑雙相填料。該公司采用化學(xué)改性方法，在炭黑生產(chǎn)過程中添加有機(jī)硅化物，使炭黑微晶中鑲嵌有硅原子。這些硅原子不僅干擾了炭黑微晶的生長(zhǎng)，也增加了微晶缺陷，從而改變了粒子的表面化學(xué)性質(zhì)。目前，市售的雙相炭黑，有6個(gè)品種，它們是Ecoblack 2000、Ecoblack 2002、Ecoblack 2006、Ecoblack 2124、Ecoblack 2125和Ecoblack 4210。 這些品種中，硅含量在3.56.0%之間，白炭黑呈島相，分散在炭黑連續(xù)相中。該產(chǎn)品的特點(diǎn)是，提高了橡膠與填料間的相互作用，降低了填料間的作用，從而使膠料在降低滾動(dòng)阻力的同時(shí)，改善了膠料的牽引性能，具有更好的綜合性能。反向炭黑 它是德固薩公司開發(fā)的新品，也叫“納米結(jié)構(gòu)炭黑”。反向炭黑（inversion black），系因含這種炭黑的膠料，其溫度與損失角正切（tan）的關(guān)系曲線中，tan0和tan60的性能，與普通的ASTM炭黑的方向走勢(shì)相反，故此而得名。該公司則偏重于物理改性，靠改變反應(yīng)爐工藝條件和爐型設(shè)計(jì)，來改變微晶尺寸和微晶的堆積方式，提供更多的與彈性體相互作用的活性點(diǎn)。反向炭黑，與其理化性能相近的普通炭黑相比，著色強(qiáng)度較低，聚集體尺寸分布較寬。另外，這種炭黑的微晶排列不規(guī)則，呈現(xiàn)出明顯的亂層構(gòu)造，具有較多的微晶棱邊，它們是具有高表面能的活性點(diǎn)。因此，這種炭黑能夠與聚合物產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械/物理化學(xué)作用。炭黑填充硫化膠在外力作用下，聚合物分子，沿著炭黑表面產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。這種滑移機(jī)理，是導(dǎo)致膠料出現(xiàn)滯后作用的主要原因。然而，在反向炭黑填充的硫化膠中，這種滑移現(xiàn)象得到抑制，從而降低了膠料的滯后損失。目前，市售的反向炭黑，有4個(gè)品種，它們是Ecorax 1670、Ecorax 1720、Ecorax 1990和Ecorax 2210。2 非輪胎用新品種非輪胎用炭黑新品種，主要分為兩類。一類是提高炭黑的純凈度，以滿足特定性能的需求。另一類是為特定用途的工業(yè)橡膠制品，而“量身定制”的專用品種。2.1 超純炭黑這類炭黑的灰份和325目篩余物極低；灰份通常低于0.10%，而325目篩余物低于20 ppm。這類炭黑適用于橡膠壓出、壓延和模型制品，特別是汽車密封膠條。添加這類炭黑的制品，不僅外觀得到改善，而且延長(zhǎng)使用壽命。在橡膠加工過程中，更容易分散和更均勻硫化而降低廢品率。目前，市售的超純炭黑，卡博特公司把這類產(chǎn)品稱為“A”型炭黑，如 Spheron 5000A、Spheron 6000A和Spheron 6400A。德固薩公司把這類產(chǎn)品，采用的商品名為 Purex，如 Purex HS 22、Purex HS 25、Purex HS 40、Purex HS 45和Purex LS 35。哥倫比亞化學(xué)公司把這類產(chǎn)品稱為“U”型炭黑，如N326U、N330U、N550U、N650U、N660U、N762U、N772U和N774U。2.2 工業(yè)橡膠制品專用炭黑這類炭黑，分別適用于門窗密封條、雨刷、空調(diào)管、油封、傳動(dòng)帶、密封圈等不同功能的汽車用橡膠制品。目前，市售的各種專用炭黑，如卡博特公司的 Sterling 1120、Spheron 4000、Spheron 5000、Spheron 6000、Spheron 6400和Spheron 6740等；哥倫比亞化學(xué)公司的CD 1001、CD 1001U、CD 1003和C