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白炭黑--轮胎,橡胶中的最强填料

文章附图

白炭黑即水合无定形二氧化硅,它是一种大比表面积、高结构、高活性的补强填充材料,因其具有特殊的表面结构、颗粒形态以及物理和化学性质,应用十分广泛。

根据制备方法不同,白炭黑可分为气相法白炭黑和沉淀法白炭黑。气相法白炭黑是球链状结构,外比表面积大,表面羟基少,如图1所示;沉淀法白炭黑是低结构的球状物,孔隙率高,内外比表面积均较大,表面羟基多。沉淀法白炭黑主要以石英砂、纯碱、工业盐酸、硫酸、硝酸或二氧化碳为原料,原料便宜、易得,生产工艺和设备较简单,产品价格低,目前在市场上占据主导地位,产量约占白炭黑产量的85%,如图2所示。

1、白炭黑改性

白炭黑表面有大量的羟基,导致其易团聚,在使用过程中白炭黑通常需要改性,以提高其分散性。白炭黑改性的方法主要有物理改性和化学改性。白炭黑分散剂主要有脂肪酸酯和锌皂表面活性剂混合物、醇和醇胺类、脂肪酸锌皂、酯醇复合物以及硅烷偶联剂等,其中偶联剂Si69是发现最早、作用最佳的白炭黑改性剂。改性剂作用机理如下:

2、白炭黑应用

在传统的斜交轮胎胶料配方中加入适量的白炭黑,在不影响炭黑补强效果的情况下,可进一步改善和提高帘布  胶的粘合性能、胎面胶的抗撕裂性能等,尤其是提高胶料的耐磨性能,且对硫化时间无明显影响;在子午线轮胎胶料配方中加入白炭黑,可使轮胎具有较高的抗湿滑性能和较好的牵引性能,从而改善汽车制动效果,提高行车安全性,降低轮胎滚动阻力,节约油耗,减少排污,提高轮胎的整体结构强度和轮胎的耐磨性能,大幅度降低爆破率,增加行驶里程。

于晓波等将白炭黑和3种炭黑(N330,N550,N660)制成复合填料后用于补强SSBR /BR并用胶,研究复合材料的硫化特性、物理性能、压缩生热、抗切割性能、耐磨性能、抗湿滑性能以及动态力学性能。结果表明:与白炭黑补强胶料相比,白炭黑与炭黑并用补强胶料的焦烧时间缩短,填料网络结构增强,物理性能提高,生热和滚动阻力增大,玻璃化转变温度降低,抗切割性能和抗湿滑性能下降;炭黑粒径增大,胶料的焦烧时间缩短,生热和滚动阻力减小,耐磨性能和抗湿滑性能下降。

赵明明等采用白炭黑补强异戊橡胶(IR)和NR ,研究白炭黑对胶料的硫化特性、物理性能、耐热老化性能和动态力学性能的影响。结果表明:采用白炭黑补强,IR的硫化速度比NR快,焦烧时间比NR短、交联密度与NR接近,NR的物理性能优于IR;随着白炭黑用量增大,IR的耐老化性能提高,白炭黑用量为20份时NR的耐老化性能最好;在0℃时IR的损耗因子大于NR,在60℃时IR的损耗因子小于NR。

郝敏等采用橡胶加工分析仪研究了添加不同用量和不同种类白炭黑的苯基硅橡胶在不同应变、不同温度下的动态力学性能。结果表明:在不同应变下,随着应变增加,苯基硅橡胶的弹性模量逐渐减小,损耗因子逐渐增大;在相同应变下,白炭黑用量越多,苯基硅橡胶的弹性模量和损耗因子越大。在不同温度下,白炭黑用量不同的苯基硅橡胶的弹性模量和损耗因子在70~170℃范围内变化不明显;随着白炭黑粒径的减小,苯基硅橡胶的弹性模量和损耗因子增大,细粒径白炭黑比粗粒径白炭黑的补强效果好。

谢飞等对丁腈橡胶(NBR)/白炭黑共混体系进行紫外光交联改性,考察胶料的光交联特性及白炭黑用量对胶料性能的影响。结果表明,随着白炭黑用量增大,胶料的拉伸强度显著上升,拉断伸长率下降,凝胶含量先上升后下降,在50份时出现最大值。

任佳帅等在白炭黑和炭黑总用量一定的情况下,研究白炭黑/炭黑用量比对NR性能的影响。结果表明:随着白炭黑用量增大,胶料的硫化速度下降;加入20~25份白炭黑对提高胶料的抗湿滑性能和降低胶料的滚动阻力最有效。

Rattanasom N等采用白炭黑Hisil233和炭黑N330制备复合填料,研究白炭黑/炭黑用量比对NR物理性能的影响。结果表明,填充50份白炭黑/炭黑复合填料时,白炭黑用量为20份和30份的胶料物理性能较好,填料分散度好,网络结构低。

张劲等对炭黑N220,N550和ST1120与高分散性白炭黑共同补强的NBR耐热老化性能和耐油性能进行了考察。结果表明:炭黑N220和ST1120对NBR的老化性能具有显著影响,炭黑N220的适宜用量为10份,炭黑ST1120适宜用量为20份;炭黑N550对橡胶老化性能的影响较小,可以大量添加以起补强作用;高分散性白炭黑可显著降低胶料的正硫化时间和焦烧时间。

梁鹏等采用超声加热法合成了五配位硅化合物,以所得的五配位硅化合物为原料合成了苯乙烯基四配位硅化合物,并用其对沉淀法白炭黑进行了表面改性,并测试了补强胶料的拉伸强度。结果表明:超声辐射10min,递增脉冲方式可使五配位硅化合物的产率达到84.5%;随苯乙烯基四配位硅用量的增加,改性白炭黑的水接触角逐渐增大;当四配位硅用量为白炭黑质量的10%时,用其补强的硫化硅橡胶的拉伸强度最大,达到6.71MPa;改性后白炭黑团聚现象明显改善,粒径分布变窄,团聚体平均粒径显著减小。

3、总结

白炭黑由于具有独特的结构和优异的性能,作为一种重要的补强剂在橡胶领域具有重要的应用,尤其是随着欧盟REACH法规和轮胎标签法规的不断实施,绿色环保、节能、性能优异的绿色轮胎将是未来的发展方向,这为白炭黑的发展提供了更加广阔的应用前景。

随着产业结构调整、环境保护意识增强及能源结构变化,白炭黑逐步取代炭黑或与炭黑并用作为橡胶的主要补强材料成为必然趋势。但是,白炭黑在应用过程中易团聚、与橡胶结合力差等问题还没有得到彻底解决。因此,未来白炭黑研究应集中在白炭黑的界面属性及改性方面,以进一步发挥白炭黑作为补强填料的优势。

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