炭黑П803的机械活化对丁腈橡胶各项性能的影响

江畹兰 编译

（华南理工大学材料学院, 广东 广州 510641）

炭黑П803的机械活化对丁腈橡胶各项性能的影响

江畹兰 编译

（华南理工大学材料学院, 广东 广州 510641）

用行星式研磨机对炭黑П803进行机械活化，再将活化后的炭黑填充到丁腈橡胶БHКC-18AMH中去。试验结果表明，用机械方法活化90 s后的炭黑，可制备具有高力学性能及高耐油性的丁腈橡胶。

机械活化；炭黑；丁腈橡胶；力学性能；耐油性能

目前，生产价廉质优的橡胶工业制品，是最受人们关注的问题。在胶料中使用各种填料，可节省橡胶的耗用量，并直接影响所制得的橡胶制品的各项性能。具有独特补强性能的炭黑是橡胶工业上应用最广泛的填料。炭黑的补强性能与其粒度、形状及一次聚集体的表面化学状况有关。当今，生产新型炭黑及用新方法改性炭黑，是一项迫在眉睫的任务，目的在于改善胶料的工艺性能，确保弹性体材料及制品具有必需的综合性能。众所周知，机械活化是对分散性填料表面进行改性的方法之一。此法能防止炭黑粒子凝聚，提高其表面活性，使填料粒子较均匀地分布于聚合物材料中。根据现代理念，在机械作用下，通过材料表层中弹性变形能量的作用，形成活泼的非平衡性被激发状态。这种状态的性质与众原子的振动运动、电子激发及电离、价键及键角的变形有关。同时，也与结构单元的迁移及质量传递的过程有关。与热活化相比，由机械活化形成的被激发状态的程度较高。

文中研究了按俄罗斯国家标准ГOCT 7885-86制造的炭黑П803经机械活化后，对硫化胶各项性能的影响。炭黑П803的特征是，粒子平均几何尺寸100～200 nm，BET表面吸附值35 m2/g，邻苯二甲酸二丁酯吸附值80～90 cm3/100g。

在行星式研磨机Aктивaтop上对炭黑进行机械活化，中心轴转速1000 r/min，转鼓转速1500 r/min，离心加速至150 G。以40颗（160 g）钢球作研磨体，每鼓炭黑投料量为30 g。

试验使用了低丙烯腈含量的丁腈橡胶БHКC-18AMH，按丁腈橡胶БHКC-18AMH的标准配方制备了胶料，其中炭黑的活性各不相同（见表1）。将胶料置于试验室用布拉本德炼胶机（椭圆形转子）。之所以采用此种转子，是因为它能模拟胶料在开炼机上混炼的全过程）Polymix 110 L上，按常规程序进行混炼。胶料中含微细硫磺W50 EHT。胶样在GT-7014-H10C液压硫化机上硫化，硫化温度155 ℃，硫化时间20 min，塑弹性及硫化胶的各项性能列于表2。

通常，在生产过程中对胶料性能进行对比或者评估其质量时，常常使用门尼黏度计或孟山都流变仪。但这种标准试验方法常会得出错误的结论。所以，最好是使用布拉本德塑性仪，它可在很大的剪切速率及温度范围内评估胶料的黏度。用布拉本德塑性仪研究了胶料的塑弹性。设定转子转动的速度为40 r/min，温度155℃。研究结果（见表2）表明，随活化时间的延长，试样（胶料）的黏度变得较高。根据焦烧时间可以看出，炭黑的机械活化同样也会影响焦烧起步时间和结束时间，试样中炭黑的活性提高，其焦烧起步时间和结束时间都有所延长。但从实验结果可清楚地看出，炭黑活化90 S后，胶料的焦烧时间最短（△t=2 min）、焦烧速率最高（1/△t=0.5 s-1）。众所周知，可表征聚集体中连接粒子数量的炭黑的结构度，很大程度上会影响黏度、收缩率和模量等指标。因此，炭黑的机械活化可以破坏凝集块，这种凝集块是由像葡萄串那样的聚集体组成的。90 S有可能是炭黑的最佳活化时间。此时炭黑的凝集块被破坏，但炭黑的聚集体仍保持完好。

在《Shimadzu Autograph》破坏试验机上测定了2型试样的力学性能。结果表明，往胶料中添加活化了的炭黑，可使试样的伸长率显著增大。研究发现，炭黑活化时间每增加30 s，试样的伸长率平均增大20%。例如，活化30 S后试样的伸长率从573%增至592%；活化60 S，伸长率可增至614%（见表2）。弹性提高，归因于活化后的炭黑的分散性得到了改善。当炭黑活化60 S及90 S后，弹性可达最大值，这是因为炭黑与橡胶的接触表面积有所增加，从而使其相互作用增强，橡胶获得了补强。如果活化时间再增加，会使强度（fp及f400）及邵尔A硬度下降。

表1 含不同活性炭黑的胶料配方

表2 含不同活性炭黑的胶料的可塑度及硫化胶各项性能

耐磨性试验在磨耗机MИ-2上按ГOCT426-77标准进行。试验结果表明，炭黑活化对橡胶的耐磨性并无显著影响。磨耗量及体积磨耗均在±5%范围内呈非线性变化。但需要指出的是，活化90 S的炭黑的性能最佳，硫化胶的体积磨耗为0.195 cm3。

按俄罗斯国家标准ГOCT 9.034-74试验了硫化胶在腐蚀性介质中的稳定性。实验结果表明，试样在AMГ-10油中产生了溶胀。这里可以明显地看出，炭黑活化时间不到90 S试样的溶胀度减小。如果继续增加活化时间，试样的溶胀度将会逐渐增大。

用电子显微镜观察了炭黑П803活化前后的图像（图1）。研究发现，在对炭黑进行机械活化的同时，炭黑粒子的凝集块遭到破坏且生成形状不规则的颗粒（见图1）。除了可表征炭黑补强橡胶的能力的二个分析值（比表面积及结构度）以外，还可用表面活性这一参数来表征。表面活性参数在很大程度上决定了炭黑通过物理吸附和化学吸附与橡胶相互作用力的大小，且对胶料的力学性能有显著影响。看来，炭黑的机械活化除了可破坏炭黑的凝集块以外，还能活化表面，从而导致胶料的强度性能提高。

图1 炭黑试样的电子显微镜图像

总之，炭黑П803的机械活化时间90 S是最适宜的。用此种活化炭黑可制备具有高力学性能、高耐磨性及高耐АМГ-10油的丁腈橡胶。

[1] Шaдpинoв H.B等. Bлияниe мexaничecкoй aктивaции тexничecкoгo yглepoa п803 нa cвoйcтвa peзины нa ocнoвe Бyтaдиeн-нитpильнoгo кayчyкa[J]. Кayчyк и peзинa 2014(05):30-32

[责任编辑：张启跃]

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1671-8232(2017)03-0007-03

2015-04-15