關于OMCARB系列導電炭黑之研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學 材料學院, 廣東 廣州 510641）

關于OMCARB系列導電炭黑之研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學 材料學院, 廣東 廣州 510641）

利用天然橡膠標準配方，研究了分別填充CН85、CН200、CНS230（OMCARB）、N234及乙炔炭黑的膠料的加工性能、導電性能及動態力學性能。結果表明，在輪胎膠料中使用OMCARB系列導電橡膠，可以提高橡膠的強度性能及動態特性，使滯后損失與溫度良好地互動，即在高溫下滯后損失低；在低溫下，滯后損失高。

導電炭黑；加工性能；動態性能；力學性能

俄羅斯研究人員用天然橡膠標準配方，對新牌號導電炭黑進行了對比試驗。天然橡膠牌號為CLARIMERL。具體配方組成如下（質量份）：生膠 100.0；炭黑 50.0；硫磺 2.5；硫化促進劑（促進劑M） 0.6；活化劑 鋅鋇白 5.0；硬脂酸 3.0。填充劑分別為CН85、CН200、CНS230 （OMCARB）；此外，還有N234和分散度和結構性與其相近的乙炔炭黑。膠料制備及性能測試均按標準方法進行。用MоnTeCh公司產儀器—MDR3000振蕩流變儀及MV3000黏度計，測定了膠料的流變性能；使用儀器ИTЭM-1測定了膠料的熱傳導性，它可以在0.2到80B/M·K范圍內測量材料的熱傳導性（λ），用毫微電流表Ф136 （2.5～1000 mV）測定相關指標。

表1示出了膠料測試結果。

由表1中所列的數據得知，在160 ℃下（MDR3000）填充CН85炭黑的膠料，其最小轉矩值（ML）及最大轉矩值（MН）與填充N234炭黑及乙炔炭黑的膠料相近，但表征誘導期的硫化起步時間（ts1）及正硫化時間（t90）卻最短。與此同時，填充炭黑CН85膠料的硫化速率（Rh）與填充炭黑N234的膠料的相近，但顯著高于填充乙炔炭黑的膠料。填充炭黑CН85的膠料于100 ℃下的門尼黏度值，介于以上兩種炭黑（N234和乙炔炭黑）填充膠之間。填充炭黑CН85的硫化膠的強度性能與填充N234的硫化膠的相近，但彈性優于后者，這就可以推斷，制品使用時滯后損失會有所降低。

填充CН200及CНS230炭黑的膠料，其流變性能有別于其他對照炭黑膠料，且其硫化膠的彈性和強度都較低。這可能是由于橡膠在被同等質量份數的炭黑填充時，炭黑的孔隙度增大和與之相關聯的體積份數的增加所引起的，當然，也有趨向于炭黑一次聚集體燒結這樣的因素存在。

導電性和導熱性這二者是密切相關和相互依賴的，故通常將它們與其乘積作比較。乘積與Bидeмaн-Фрaнц經驗規則相吻合，即類似的體系在不同溫度下，其乘積是相同的。由表2中的數據可知，用乙炔炭黑取代炭黑N234，橡膠的導電率可提高一倍，而電阻與熱傳導系數的乘積則降低67%。填充OMCARB系列炭黑的橡膠，其電性能比N234炭黑填充膠更接近填充乙炔炭黑的橡膠。填充CН200及CНS230炭黑的橡膠的兩種物理特性均處在較高的水平，將它們用于要求具有特殊性能的制品，前景看好。

表1 所研究的橡膠膠料熱老化前后的力學性能

曾用MоnTeCh公司的橡膠加工動態分析儀及DMA 242D（NetsCh公司產動態力學分析儀）模擬了含對照用炭黑的橡膠在輪胎中使用的性狀。

表2 含不同填充劑（炭黑）的橡膠的物理特性

試樣在D-RPA3000儀器上于143 ℃下硫化25 min（振幅0.05%），然后，在60 ℃下進行動態剪切試驗，變形頻率分別為0.1；1.0；及10 Нz（振幅1.38%）（見表3）。對膠料硫化特性進行的評估表明，實驗結果的離散性不大。另外，動態試驗也表明，在所有條件下，填充炭黑CН85的橡膠的損耗模量G''最低，力學損耗角正切tg δ也最小（在60 ℃下），即滯后損失最小。而滯后損失與輪胎的滾動阻力直接相關。究其原因，可能是與此種炭黑的形態學特征有關聯，即高吸油值及在橡膠中能良好地分散。填充炭黑CН200的橡膠的動態性能指標，最接近填充炭黑N234的橡膠，但低于填充乙炔炭黑的橡膠，而填充炭黑CНS230的橡膠動態性能，則比以上兩種橡膠為差。

在DMA 242D儀器上，于壓縮變形（頻率分別為0.1 Нz和10 Нz，溫度-30 ℃～+60 ℃）條件下測定了硫化膠的彈性模量、損耗模量、力學損耗角正切、復合模量等指標。

表3 在剪切變形條件下用D-RPA3000儀器測得的膠料及硫化膠的各項性能

（續前表）

分析所得結果表明，填充炭黑CН85的橡膠的tg δ在+60 ℃時，低于另外兩種對比橡膠。tg δ降低，意味著輪胎胎面的滾動阻力降低。

與相對照的橡膠相比，在0 ℃下測得的tg δ不遵循上述規律且互相矛盾，即在變形頻率為10 Нz時，填充CН85炭黑的橡膠的tg δ值，較填充N234炭黑的橡膠的高，但低于填充乙炔炭黑的橡膠；當頻率為0.1 Нz時，則略低于兩種對照橡膠。這表明，填充CН85炭黑的橡膠與潮濕路面的抓著力可能會略有降低（見圖1、圖2）。

圖3及圖4為所研究橡膠的彈性模量E'及損耗模量E''在測試溫度為10 ℃及20 ℃時的關系圖。填充CН85炭黑的橡膠的指標值最低。填充此種炭黑的輪胎在低溫條件下滾動時，其胎面對結冰路面有較好 的抓著性。

圖1 在動態力學分析儀DMA242D(壓縮變形、頻率0.1 Hz)上測得的含不同填充劑的橡膠機械損耗角正切與試驗溫度之間的關系

圖1 在動態力學分析儀DMA242D(壓縮變形、頻率10 Hz)上測得的含不同填充劑的橡膠機械損耗角正切與試驗溫度之間的關系

圖3 在動態力學分析儀DMA242D上測定的橡膠彈性模量E'與試驗溫度及壓縮變形頻率之間的關系

圖4 在動態力學分析儀DMA242D上測定的橡膠損耗模量E''與試驗溫度及壓縮變形頻率之間的關系

綜合以上試驗結果可以確認，用牌號為OMCARB CН85的炭黑代替乙炔炭黑制造輪胎，可在保持膠料工藝性能及橡膠高強度性能的同時，改善其動態力學性能，且可使橡膠在高溫下滯后損失降低，而在低溫下，滯后損失提高。這可能是填充劑生成網絡結構的傾向性較低所致。

文中的研究結果對生產性能得到改善的橡膠制品（包括輪胎，特別是大型輪胎及在動態條件下工作的橡膠工業制品）具有重要的意義。

[1] MоиCeeвCкaя Г B. ИCлeдовaниe элeктропро водного тeхничeCкого углeродa Ceрии OMCARB [J]. кaучук и рeзинa, 2014(02)：38-42.

[責任編輯：張啟躍]

TQ 330.38+1

B

1671-8232(2017)05-0021-03

2016-03-10