不同粒径炭黑在轮胎胎面胶中的应用研究

郭良博，邵 路，王 宏，吕宏涛

（青岛黑猫炭黑科技有限责任公司，山东 青岛 266042）

炭黑是橡胶工业用第二大原材料[1]，主要应用于轮胎中。激烈的市场竞争使得炭黑行业发展进入了关键时期。深入的炭黑基础研究对开发炭黑新品种、促进其应用具有重要意义。炭黑对橡胶的补强作用是由炭黑特有的基本性质决定的，炭黑粒径越小，结构度越高，其补强性能越好[2-3]。粒径大小与炭黑的结构度、着色强度、表面活性等紧密相关，国内外对炭黑粒径相关内容进行了大量研究[4-7]。本工作研究不同品种炭黑的理化性质及粒径特性，并从粒径角度出发探讨不同品种炭黑对轮胎胎面胶性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、氧化锌和硬脂酸，中昊黑元化工研究设计院有限公司提供；炭黑N134、炭黑N234、炭黑N220、炭黑N375和炭黑N550，江西黑猫炭黑股份有限公司产品。

1.2 试验配方

NR 80，SBR 20，炭黑（变品种） 50，氧化锌 3.5，硬脂酸 2，防老剂RD 1.5，防老剂4020 1.5，硫黄 1.2，促进剂TBBS 1.4，防焦剂CTP-100 0.2。

1.3 主要设备和仪器

XSM-1/10-120型1 L密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；XKL-150型开炼机，广东湛江机械制造集团公司产品；XLD-D400×400×2平板硫化机，湖州东方机械有限公司产品；DGAV型炭黑分散度仪、MV2000型门尼粘度仪、MDR Premier型硫化仪和2020-DC型拉力试验机，美国阿尔法科技有限公司产品；GT-7042-RE型回弹试验机、GT-RH-2000N型压缩生热机和GT-7012-A型阿克隆磨耗机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；GeminiVII2390型全自动表面积分析仪，美国Micromeritics公司产品；DBP-C型炭黑吸油计，德国Brabender公司产品；BI-DCP型圆盘式离心沉降仪，美国Brookhaven公司产品。

1.4 试样制备

胶料采用2段混炼工艺。一段混炼在1 L密炼机中进行，混炼工艺为：生胶→压压砣→炭黑→压压砣→小料→压压砣→排胶（≤150 ℃）→在开炼机上割刀2—3次，下片，停放。二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶→压压砣→硫黄和促进剂→压压砣→排胶（≤120 ℃），在开炼机上割刀1次→打三角包6遍→割刀2—3次→下片，停放。

胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为150℃×30 min。

1.5 测试方法

（1）粒径。采用圆盘式离心沉降仪进行测试。称取一定量样品，加入乙醇并在粉碎机中超声处理3 min，取出冷却至室温；在规定时间内加入定量的曲拉通溶液（非离子型表面活性剂）；取上层分散液置于圆盘式离心沉降仪中进行测试。

（2）分散度。使用炭黑分散度仪进行测试。

（3）胶料其他各项性能均按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化性能

根据ASTM D1765炭黑命名规则，炭黑命名时第1个数字表示比表面积，常用吸碘值和BET比表面积进行表征[8-9]。吸油值表征炭黑一次结构与二次结构的总和，压缩吸油值表征炭黑的一次结构。炭黑一次结构较坚固[10]，其在橡胶混炼过程中不易被破坏。炭黑从形貌可分为原生粒子、聚集体和附聚体。炭黑原生粒子粒径一般为10～100 nm，聚集体粒径即炭黑粒径一般为50～500 nm，附聚体粒径在1 μm以上。

不同粒径炭黑的理化性能如表1所示。

从表1可以看出：随着炭黑粒径的增大，吸油值和压缩吸油值呈减小趋势，说明结构度逐渐降低，比表面积减小；炭黑N375的粒径分布宽度系数最小，说明其分散性更差。粒径分布宽度系数是表征炭黑分散性的重要参数。

2.2 门尼粘度和硫化特性

不同粒径炭黑混炼胶的门尼粘度和硫化特性如表2所示。

从表2可以看出：炭黑N134胶料的门尼粘度较大，说明其加工能耗较大，加工性能较差；炭黑N550胶料的门尼粘度较小，这从其粒径及结构度大小可以得到解释，粒径小、结构度高的炭黑N134分散到胶料中更困难；随着炭黑粒径的增大，胶料的门尼焦烧时间逐渐延长，结合试验变量考虑，粒径是影响焦烧时间的重要因素；炭黑N134胶料的t90较长，这是由于炭黑N134粒径较小，补强性能较好，交联密度较高；炭黑N550胶料的t90偏长，这是由于炭黑N550粒径大，分散性好。

2.3 物理性能

不同粒径炭黑硫化胶的物理性能如表3所示。

表3 不同粒径炭黑硫化胶的物理性能

从表3可以看出，炭黑N134胶料的拉伸强度和撕裂强度较大，阿克隆磨耗量较小，说明耐磨性能较好，压缩疲劳温升较高，这与炭黑N134粒径小、比表面积大有关。炭黑粒径直接影响硫化胶的物理性能，在一定条件下炭黑粒径越小，硫化胶的强度越高，耐磨性能越好，轮胎的安全系数越高，使用寿命越长。

2.4 分散性

不同粒径炭黑在胶料中的分散性测试结果分别如表4和图1所示。

表4 不同粒径炭黑在胶料中的分散性

炭黑在胶料中的分散性与其粒径关系密切，炭黑粒径小，有利于提高胶料的拉伸性能[11-12]。炭黑以聚集体形式存在于胶料体系中，从表4和图1可知：炭黑N134的分散系数较大，白区面积较小，分散等级较高；炭黑N375和炭黑N550出现明显地团聚，说明其分散性较差，这与常规认知并不一致，即大粒径炭黑的分散性并没有在本工作配方中体现出优势，分析认为：一是胎面胶混炼采用2段工艺，小粒径炭黑在混炼中得到了充分分散；二是在混炼过程中粒径较大炭黑的少量粒子团聚，尺寸更大，易被仪器捕捉识别。这为进一步研究炭黑粒径大小与分散性的关系提供了重要参考。

3 结论

（1）炭黑的粒径越大，比表面积越小，结构度越低。

（2）随着炭黑粒径的增大，胶料的门尼粘度降低，交联密度减小，硫化胶的强度和耐磨性能降低，生热减小。

（3）小粒径炭黑N134、炭黑N234和炭黑N220在胶料中的分散性好于大粒径炭黑N375和炭黑N550。