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(yuǎn) 265400）

炭黑是輪胎生產(chǎn)中的重要補(bǔ)強(qiáng)填料，在硫化膠中起補(bǔ)強(qiáng)作用，它對(duì)輪胎物理性能的影響很顯著[1]。炭黑原材料質(zhì)量管控有非常全面的檢測手段，但對(duì)于硫化膠中的炭黑而言，提取工作較復(fù)雜，而且提取成分會(huì)受其他種類填料的影響，以致于難以準(zhǔn)確地進(jìn)行分析。

本工作主要研究硫化膠中的炭黑所展現(xiàn)出的燃燒特性與對(duì)應(yīng)炭黑原材料特性的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

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(chǎn)品；含炭黑硫化膠片，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 主要儀器

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

1.3 試樣制備

采用相同的常規(guī)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(bǔ)強(qiáng)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(duì)丙酮抽提后的同一硫化膠試樣進(jìn)行多次重復(fù)測試，確定TG曲線上重現(xiàn)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(jī)和吸油計(jì)對(duì)8種炭黑進(jìn)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(dòng)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(jié)果與討論

2.1 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度的確定

重點(diǎn)考察TG曲線上的拐點(diǎn)溫度和中點(diǎn)溫度[2-5]。拐點(diǎn)溫度為樣品質(zhì)量損失速率最大時(shí)的溫度，即炭黑燃燒速率最快時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度；中點(diǎn)溫度為樣品質(zhì)量損失臺(tái)階質(zhì)量1/2時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。為考察兩者的穩(wěn)定性，對(duì)同一樣品分別進(jìn)行6次平行試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 同一樣品TG曲線的拐點(diǎn)溫度和中點(diǎn)溫度

從表1可以看出，同一樣品TG曲線的拐點(diǎn)溫度較中點(diǎn)溫度測量的重復(fù)性好，故確定拐點(diǎn)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(duì)應(yīng)炭黑壓縮吸油值的相關(guān)性

相關(guān)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(diǎn)溫度（采用TG分析表征）與相應(yīng)炭黑壓縮吸油值有較好的線性相關(guān)性[6]。本研究對(duì)硫化膠進(jìn)行丙酮抽提處理，將膠料中的其他配合劑萃取出來后再進(jìn)行TG分析。硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對(duì)應(yīng)炭黑壓縮吸油值的測試結(jié)果見表2，二者相關(guān)性見圖1。

表2 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對(duì)應(yīng)炭黑壓縮吸油值的測試結(jié)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(guān)性

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

2.3 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對(duì)應(yīng)炭黑氮吸附表面積的相關(guān)性

硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對(duì)應(yīng)炭黑氮吸附表面積的測試結(jié)果見表3，二者相關(guān)性見圖2。

表3 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度和對(duì)應(yīng)炭黑氮吸附表面積的測試結(jié)果

圖2 硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對(duì)應(yīng)炭黑氮吸附表面積的相關(guān)性

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

分析認(rèn)為：硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對(duì)應(yīng)炭黑壓縮吸油值和氮吸附表面積有較好的線性關(guān)系是因?yàn)樘亢趬嚎s吸油值描述了生產(chǎn)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(shí)結(jié)構(gòu)度越高，表面積越大；而炭黑的燃燒行為與其有效面積有關(guān)，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(shí)際應(yīng)用

3.1 炭黑品種分析

利用硫化膠中炭黑燃燒特性可以對(duì)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(jìn)行分析判定。根據(jù)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(dǎo)出對(duì)應(yīng)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(shí)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(dǎo)出炭黑的壓縮吸油值和氮吸附表面積，可以較準(zhǔn)確地分析判定硫化膠中炭黑品種。

3.2 分散性評(píng)價(jià)

硫化膠在氮?dú)鈿夥障铝呀夂?，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(shí)，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(shí)，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(píng)價(jià)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(jié)論

硫化膠中炭黑燃燒特征溫度與對(duì)應(yīng)炭黑的壓縮吸油值和氮吸附表面積均呈顯著線性關(guān)系，R2分別為0.806 9和0.954 1；根據(jù)線性回歸方程推導(dǎo)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。