沉淀法白炭黑化学指标与胶料物理性能的关系 1

    沉淀法白炭黑是橡胶体系重要的补强填料, 其化学指标与胶料的物理性能有着极为密切的关系, 尤其是近年来, 备受瞩目的绿色轮胎的研制与开发, 特别对其混合体系中采用的白炭黑填料提出了新的要求。 BET, CTAB和 Ssears比表面积,DBP吸油值, 表面羟基的含量, 平均粒径及粒径分布等化学指标从不同侧面表征了白炭黑的聚集形态和表面结构。通过对沉淀法白炭黑化学指标的分析, 即可很好地预测出它在胶料体系中的分散状态与补强效果。

白炭黑化学指标对胶料基本性能的影响

  比表面积

    白炭黑比表面积通常指氮吸附比表面积值, 它反映了白炭黑附聚体内外表面积的总和,是衡量胶料加工性能与物理性能的重要指标。

     白炭黑结构单元是—O—Si—O—共价键无规则连接的三维网络。 在原始粒子聚结成二次粒子的过程中,硅与氧的不完全键合,致使白炭黑微粒表面残存着一定数量的羟基。  白炭黑的比表面积越大, 表面剩余羟基越多, 羟基显现的表面活性就越显著。积意味着较多的表面羟基, 它们以氢键的形式聚集, 使得白炭黑颗粒之间的相互作用增强, 而羟基与橡胶分子的不相容性,则减弱了白炭黑与橡胶体系的充分接触。 因此,混炼胶的表观粘度提高。 同时,表面羟基的相互作用会导致游离硅醇基团增多, 对助剂产生强烈的吸附作用, 硫化速率大幅下降。

    白炭黑比表面积对胶料静态物理性能的影响主要体现在邵尔硬度、定伸应力、拉伸强度、扯断伸长率和压缩永久变形上。  因为, 白炭黑与胶料形成的混合体系中,两种网络结构共同决定着对硫化胶的补强效果:一是白炭黑填料-填料间的相互作用; 另一个是白炭黑填料-聚合物分子间的相互作用。 当整个体系处于低应变场合时, 白炭黑填料间的相互作用 占主导地位; 当处于高应变场合时, 聚合物分子与填料的相互作用成为主要因素。 随着白炭黑比表面积增大, 聚合物与填料的相互作用增强,使得邵尔硬度、定伸应力和拉伸强度与比表面积呈正相关变化。但在高应变场合下,白炭黑填料间的网络被破坏,这种破坏不容易恢复,胶料的物理性能上则表现出来扯断伸长率大,永久变形大。

    沉淀法白炭黑比表面积对胶料动态物理性能的影响是随着绿色轮胎的发展而被逐步认知的。 大量的研究结果表明:高比表面积的白炭黑具有较高的表面自由能,在混合体系中重组自聚的倾向增大,难于分散,生热大。 表现在胶料的物理性能上即60℃tanδ高, 0℃tanδ低, 60℃复数模量 E★低。这 3 个指标是衡量轮胎胎面胶动态综合性能的关键性指标。60 ℃tanδ值被公认为是轮胎滚动阻力的量度, 它与生热值呈正相关变化。 BLUME A等给出了不同比表面积下60℃tanδ与生热的关系(图2)[1]。而 0℃tanδ和60℃复数模量 E★分别与湿路面牵引力和耐磨性能相关。 在绿色轮胎的发展过程中, 作为补强填料的沉淀法白炭黑经历了两个阶段的演变,即比表面积从传统的190～210 m2/g难分散产品降至比表面积为160～180 m2/g的易分散( EDS)。