硫化膠中炭黑燃燒特性的研究

賈愛瑞，張麗杰，路 波，魏 勝

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

炭黑是輪胎生產中的重要補強填料，在硫化膠中起補強作用，它對輪胎物理性能的影響很顯著[1]。炭黑原材料質量管控有非常全面的檢測手段，但對于硫化膠中的炭黑而言，提取工作較復雜，而且提取成分會受其他種類填料的影響，以致于難以準確地進行分析。

本工作主要研究硫化膠中的炭黑所展現出的燃燒特性與對應炭黑原材料特性的關系。

1 實驗

1.1 主要原材料

炭黑N134，N234，N220，N330，N339，N375，N550，N660，卡博特化工（天津）有限公司產品；含炭黑硫化膠片，實驗室自制。

1.2 主要儀器

4000e型全自動比表面積及孔隙度分析儀，美國康塔公司產品；TGA/DSC1型熱重（TG）分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司產品；TYPE C型吸油計，德國布拉本德公司產品；TBY-70型炭黑壓縮機，中昊黑元化工研究設計院有限公司產品。

1.3 試樣制備

采用相同的常規煉膠工藝和硫化工藝制備8種炭黑（炭黑N134，N234，N220，N330，N339，N375，N550，N660）硫化膠片（除了炭黑品種不同外，其余配方組分及用量完全相同，且補強體系采用純炭黑，生膠體系采用天然橡膠）。

1.4 性能測試

（1）按照GB/T 14837.1—2014《橡膠和橡膠制品 熱重分析法測定硫化膠和未硫化膠的成分第1部分：丁二烯橡膠、乙烯-丙烯二元和三元共聚物、異丁烯-異戊二烯橡膠、異戊二烯橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠》，采用TG分析儀對丙酮抽提后的同一硫化膠試樣進行多次重復測試，確定TG曲線上重現性好的硫化膠中炭黑燃燒特征溫度。

（2）按照GB/T 3780.4—2017《炭黑 第4部分：壓縮試樣吸油值的測定方法》，采用炭黑壓縮機和吸油計對8種炭黑進行壓縮吸油值測試。

（3）按照GB/T 10722—2014《炭黑 總表面積和外表面積的測定 氮吸附法》，采用全自動比表面積及孔隙度分析儀測定8種炭黑的氮吸附表面積。

2 結果與討論

2.1 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度的確定

重點考察TG曲線上的拐點溫度和中點溫度[2-5]。拐點溫度為樣品質量損失速率最大時的溫度，即炭黑燃燒速率最快時對應的溫度；中點溫度為樣品質量損失臺階質量1/2時對應的溫度。為考察兩者的穩定性，對同一樣品分別進行6次平行試驗，結果見表1。

表1 同一樣品TG曲線的拐點溫度和中點溫度

從表1可以看出，同一樣品TG曲線的拐點溫度較中點溫度測量的重復性好，故確定拐點溫度為硫化膠中炭黑燃燒特征溫度。

2.2 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對應炭黑壓縮吸油值的相關性

相關研究表明，含有4種不同種類炭黑（N990，N121，N550和N115）的硫化膠中炭黑燃燒中點溫度（采用TG分析表征）與相應炭黑壓縮吸油值有較好的線性相關性[6]。本研究對硫化膠進行丙酮抽提處理，將膠料中的其他配合劑萃取出來后再進行TG分析。硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對應炭黑壓縮吸油值的測試結果見表2，二者相關性見圖1。

表2 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對應炭黑壓縮吸油值的測試結果

圖1 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與炭黑壓縮吸油值的相關性

從圖1可以看出，膠料中炭黑燃燒特征溫度與對應炭黑壓縮吸油值呈顯著線性關系，線性回歸方程為y＝-0.451 9x＋314.4，相關因數（R2）為0.806 9。

2.3 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對應炭黑氮吸附表面積的相關性

硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對應炭黑氮吸附表面積的測試結果見表3，二者相關性見圖2。

表3 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對應炭黑氮吸附表面積的測試結果

圖2 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對應炭黑氮吸附表面積的相關性

圖2表明，炭黑燃燒特征溫度與對應炭黑氮吸附表面積呈顯著線性關系，線性回歸方程為y＝1.766 2x＋960.78，R2為0.954 1。

分析認為：硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對應炭黑壓縮吸油值和氮吸附表面積有較好的線性關系是因為炭黑壓縮吸油值描述了生產過程模擬條件下炭黑表面積的大小，壓縮吸油值越大，炭黑的真實結構度越高，表面積越大；而炭黑的燃燒行為與其有效面積有關，表面積越大，炭黑顆粒尺寸越小，越容易燃燒[7]，燃燒特征溫度越低。

3 硫化膠中炭黑燃燒特性的實際應用

3.1 炭黑品種分析

利用硫化膠中炭黑燃燒特性可以對硫化膠（其他部門送檢膠料，已知A和B試樣中炭黑屬于1，2系列）中未知炭黑品種進行分析判定。根據硫化膠TG分析得到炭黑的燃燒特征溫度，通過上述線性回歸方程可以推導出對應炭黑的壓縮吸油值和氮吸附表面積，從而推斷可能用到的炭黑品種。

硫化膠中炭黑品種實際分析案例見表4。

表4 硫化膠中炭黑品種分析案例

從表4可以看出，通過硫化膠中炭黑燃燒特征溫度推導出炭黑的壓縮吸油值和氮吸附表面積，可以較準確地分析判定硫化膠中炭黑品種。

3.2 分散性評價

硫化膠在氮氣氣氛下裂解后，炭黑的有效燃燒面積就暴露出來。在同一品種炭黑用量相同的條件下，炭黑的分散均勻性較好時，橡膠分子裂解后暴露出的有效燃燒面積大[見圖3（a）]，故炭黑燃燒特征溫度更低；炭黑的分散均勻性較差時，橡膠分子裂解后暴露出的有效燃燒面積偏小[見圖3（b）]，故炭黑燃燒特征溫度更高。因此，硫化膠中炭黑燃燒特征溫度在一定程度上可以評價炭黑分散的均勻性。

圖3 橡膠分子裂解后暴露出的有效燃燒面積

4 結論

硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對應炭黑的壓縮吸油值和氮吸附表面積均呈顯著線性關系，R2分別為0.806 9和0.954 1；根據線性回歸方程推導出硫化膠中炭黑的壓縮吸油值和氮吸附表面積，可以判定硫化膠中的炭黑品種；硫化膠中炭黑燃燒特征溫度低，在一定程度上可以表明炭黑分散性好，反之，則表明炭黑分散性差。