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炭黑对天然橡胶动态性能的效果和影响

作者:四川天屿翔机械设备有限公司 浏览: 发表时间:2024-03-05 11:09:17

炭黑是一种应用于橡胶胶料中基础的微粒状的补强材料,能够提高像SBR 非结晶性聚合物的胶料强度,并且提高所有加入炭黑弹性体胶料的坚韧性(挺度),炭黑粒子按照平均粒径尺寸分类,还与粒子配位络合物进行划分,反应在炭黑粒子的结构上。目前炭黑的整个系列是从N -110划分分类到N -990,炭黑的结构是从低到高划分的,最为常用的炭黑则是从200 系列到700系列,下面选出8个炭黑品级以考察在炭黑相同粒径尺寸内的粒径分布和机构,表1列出了每种炭黑系列品级的特性。

 

1N -220 通常应用于轮胎的小粒径尺寸的炭黑。

2N -326 非常低结构因数的300系列的炭黑。

3N -330 用于轮胎的标准300系列的炭黑。

4N -339 高结构因数的300系列的炭黑。

5N -550 特殊品级初始快压出炉炭黑。

6N -650 通常补强级炭黑。

7N -762 较大粒径轮胎胎侧胶用炭黑。

8N -774 备用(可替代的)轮胎胎侧胶用炭黑。

 

上面介绍的300系列炭黑都是重要的有结构效应的炭黑,而700系列炭黑也具有重要的应用,那么就很有必要来测定它们在胶料中实际应用的区别。炭黑的使用量是有变化的,最终要达到补强的水平,目标是达到邵尔A硬度70度,便于进行对比。但是即使都采2700 系列炭黑,它们的差别也不是很明显。在这种情况下要将它们在相同的炭黑量前提下进行比较才能够获得较好的对比差别。

 

基础胶料配方是采用了高品质级天然橡胶,其它少量的配合剂,和简单的适中硫磺硫化体系,胶料配方参见表2。胶料混炼是在实验室规模的密炼机中完成的,由相同炼胶工按顺序完成所有的胶料称重和混炼,然后在155 ℃ ×4 min 或达到TC90时完成ASTM试样的模压硫化,取其高值模压硫化;将压缩试验的纽扣状试样在相同的温度进行模压硫化,硫化时间为TC90+5 min

 

标准操作工艺规程和物理试验按照下列方法要求进行:

1MDR流变性能测定——按照ASTMD5289规定进行;

2)硬度试验——按照ASTMD2240规定进行;

3)拉伸强度、伸长变和模量试验——按照ASTMD412方法A规定进行;

4)热老化试验——按照ASTMD573规定进行;

5)压缩永久变形试验——按照ASTMD395方法B规定进行。

 

1     试验结果和讨论

 

从试验结果来看,已经很接近目标硬度指标,实际测定的硬度是从67.7(邵尔A硬度)到74.6 (邵尔A硬度)之间, 其平均硬度为70.7(邵尔A硬度),偏差在±3.4度之间,这不是没有理由的偏差,已达到了预定的硬度指标,所以可以进行其余的分析试验了。


 

3列出了胶料的流变性能数据,其中最低和最高的扭矩范围都是合理的,从性能上看,在其各自份额的炭黑都很接近,但是TS1值都有很大的不同,其中最高值是最低值的2倍,TC90也不同,但是没有显著的变化。不同的炭黑对胶料的PH值也是不同的,这对胶料初始硫化有影响。这也就是对TS1变量的理由。那种胶料都不会出现焦烧的危险,平均大约5 min TC90时间就不算长了。


 

4列出了标准橡胶胶料的试验数据,一个值得注意的趋势是200 系列和300系列炭黑都具有很高的伸长率,超过了500%,而余下的有较大粒径尺寸的炭黑系列的伸长率要低一些,这些数据与较小粒径炭黑的较高拉伸强度有关。


 

但是,如果它达到100% 的模量时,就会出现反相变化了,有较大粒径的炭黑都有较高的模量和较高的邵尔A硬度。这就表现出能够提供每种炭黑份额的表格有些显得不很精确,550 650系列炭黑应当降低4份,而220 326 339 系列炭黑则应当增加大约相同的(4份)份额。但采用这些胶料配方使胶料出现的差别还不是以否定进行的全面比较。

 

压缩永久变形的数据是在20%~26% 范围内,粒径较小的炭黑可能有稍高的压缩永久变形,与理论预测相同。胶料的热老化条件不是很苛刻的,但是在超过70 ℃时,天然橡胶就开始出现不会在室温出现的降解过程了,这样可以认为,更精确的界定温度不要再高于70 在空气流通的老化箱里老化70 h,就是进行老化的合理时间。

 

某些老化方面影响已经看到了,尽管还不是真正的动态条件,但是胶料的拉伸强度变化是可以忽略不计的,包括伸长率方面的变化,胶料的硬度变化没有超出(高出)2度(邵尔A硬度),所以变化也不明显。只有在M -100值(数据)上我们观测了实质明显的变化是从15% 提高到35%,这在用 一种炭N339 时,从试验上获得数据表面上看,在增加聚合物 含量方面,性能变化还是有初测的相互关联。从表5中我们就能看到胶料的物理性能最为亮点的数据,仅在505 630 系列炭黑范围的静态刚性度指数要比在M -100 数据里看到的要窄很多,而复数动态振动频率K*(是在 10Hz/5% 动态应变振幅条件下测得),则从776~1 011 N/mm 范围之内,看起来有较宽的百分率扩展,但是在静态和动态值上看有很好的相互关联。


 

胶料的δ值(或损耗因数)显示在适中的范围并没有大的扩展,界定在0.2110.255 范围内,在300系列炭黑中可清晰看到在提高结构情况下损耗因数呈下降趋势。而700系列炭黑,在采用相同份额,谨慎的与胶料配合后,就与所预测的损耗因数表现出明显的反差。而N550 系列炭黑则在静态或动态条件下都表现出最高的刚性度指数,而损耗因数值则适中。如果我们将炭黑在补强方面进行更清晰的对比,我们可以把获得的K值(动态应变振幅)与炭黑所增加的份额连系起来,通过检查K/炭黑份额比率,我们可以看到,N220系列炭黑补强性最高,而N762 系列炭黑则最低,与预测值吻合。低结构的N326 系列炭黑补强效果不仅低于300系列炭黑,而且还低于N550系列和N650系列粒径较大的炭黑。从N220系列炭黑到 N774系列炭黑,从炭黑的粒径尺寸最宽的范围排列,对补强效果的比较可以看出,非常接近静态和动态的刚性度指标要求,但是在损耗因数值方面有明显的差异。用N774 配合的胶料的含胶率(RHC)为44.6% ;而N220 炭黑配合的胶料含胶率(RHC)为53.7%。这在胶料的屈挠寿命和胶料的生热方面意味着什么呢?胶料中含胶率越高就会有越好的效果吗?采用频率扫描仪从1Hz 50Hz 进行动态试验,计算动态应变振幅和δ值(损耗因数)的比率,结果还示于表5。如期待那样,胶料在振幅频率提高时都显示出了刚性度,胶料刚性度的提高都在1.33~1.47 的范围内。这项试验不是动态性试验,只是强调说明聚合物的响应频率。胶料的损耗因数变化非常小,可能是在试验的分散范围内,尽管较小粒径的炭黑都表现出有少量的下降。当这 一现象出现指的是K' ,弹性模量和K'' 黏性模量,在振幅频率提高时的变化会很大,我们预测,在振幅频率增大时显示聚合物刚性度,其数据指明所施加的能吸收胶体的机械作用达到了平衡。不在本项检查项目中的其它性能,有耐磨性和屈挠寿命,依据所使用的炭黑品级,也会有不同。较小粒径的炭黑必定会有更好的耐磨性,而较大粒径的炭黑必定会提供较长的屈挠寿命,并很少生热。另外,还有胶料费用的因素,涉及到炭黑填充份额和每种炭黑价格方面的作用影响。

 

2     结论

 

天然橡胶采用炭黑作为补强材料已成共识,依据于炭黑的粒径和结构而反映在它们的物理性能上,但是炭黑如何影响到工程机械性能,包括阻尼特性和刚性度还没有在众多炭黑系列中进行过详细的研究,通过本研究中试验获得了下列结论

 

1)观测到炭黑对胶料的标准物理性能上的影响,较小粒径的炭黑可使胶料获得更高的伸长率和拉伸强度;而较大粒径的炭黑则有更高的M -100 量级。

 

2)炭黑的类型品级对加热老化没有特别的影响,影响力很小,如果有的话,仅对胶料的压缩永久变形有有限的影响。

 

3)依据炭黑的粒径尺寸和结构获得的动态刚性度补强性达到了标准物理性能的效果。

 

4)采用炭黑份额值测定K*(弹性模量)时,适中粒径的N550炭黑系列的补强效果与300系列炭黑接近。

 

5)动态刚性度和邵尔A硬度或M -100没有相互的关联。

 

6)由于炭黑带来的阻尼(制动)作用,通过δ值测定的,不是简单的与炭黑的粒径相关,而是与炭黑的低结构有关而增加。

 

7)炭黑补强对聚合物频率变化影响有限。


 

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