本篇文章炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編將要給大家介紹的是炭黑的補(bǔ)強(qiáng)，炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)劑可以有很多用處，而本篇文章我們先從補(bǔ)強(qiáng)劑與填充劑的基本概念以及填料的基本分類來(lái)了解這一方面的知識(shí)。
補(bǔ)強(qiáng)劑：指能提高橡膠制品物理機(jī)械性能的填料;填充劑：指能增加橡膠制品的容積，降低含膠率，降低成本的填料。
填料的分類可以從作用、顏色、來(lái)源和形狀進(jìn)行劃分，按作用分：補(bǔ)強(qiáng)劑、填充劑;按顏色分：黑色填料、非黑色填料;按來(lái)源分：有機(jī)填料、無(wú)機(jī)填料;按形狀分：粒狀填料、樹脂填料、纖維填料。了解完補(bǔ)強(qiáng)劑與填充劑的基本概念后，小編先為大家整理了炭黑的品種和分類。
一、 炭黑的品種和分類
炭黑品種有40多種。按作用分：硬質(zhì)炭黑(粒徑40nm以下，補(bǔ)強(qiáng)性高);軟質(zhì)炭黑(粒徑40nm以上，補(bǔ)強(qiáng)性低)。按制法分：槽法炭黑、爐法炭黑、熱裂法炭黑、新工藝炭黑。
1、接觸法炭黑(槽黑，呈酸性，補(bǔ)強(qiáng)性大，屬硬質(zhì)炭黑)，以冷卻的金屬成非金屬為接觸面，從原料氣的火焰中將煙氣冷卻收集而成。主要品種：天然氣槽黑(以天然氣為原料)PH較低。易混槽黑EPC，ASTM標(biāo)號(hào)為S300，可混槽黑MPC，ASTM標(biāo)號(hào)為S301;混氣炭黑;輥筒炭黑;導(dǎo)電槽法炭黑CC，粒子粗，電阻很小?；拘再|(zhì)：粒子較細(xì)(粒徑范圍30nm左右，)對(duì)NR的補(bǔ)強(qiáng)作用大，強(qiáng)伸性能、抗撕裂性能和抗割性能好;含氧量高(帶有較多的含氧基團(tuán))呈酸性，遲延硫化作用，因酸性助劑對(duì)促進(jìn)劑有吸附作用;主要用于NR中，制胎胎面膠，合成膠中少用。
2、油基爐法炭黑(堿性，具高補(bǔ)強(qiáng)性，硬質(zhì)炭黑)，也稱油爐黑或爐黑，是以原料油為原料。在特制的爐中進(jìn)行燃燒，然后將煙氣經(jīng)噴水冷卻而得，(因吸收了水中的鹽類，呈堿性)，主要品種：超耐磨炭黑 SAF(supper abrasion furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N110，粒子細(xì)，補(bǔ)強(qiáng)效果好，但不易分散，工藝性能差。中超耐磨爐黑 ISAF(Intermediate super abrasion furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N220，高結(jié)構(gòu)中超耐磨爐黑 HS-ISAF，ASTM標(biāo)號(hào)為N242，低結(jié)構(gòu)中超耐磨爐黑 LS-ISAF，ASTM標(biāo)號(hào)為N219，高耐磨爐黑 HAF(High abrasion furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N330，高結(jié)構(gòu)高耐磨爐黑 HS-HAF，ASTM標(biāo)號(hào)為N347，低結(jié)構(gòu)高耐磨爐黑 LS-HAF，ASTM標(biāo)號(hào)為N326?；拘再|(zhì)：粒子細(xì)，為高補(bǔ)強(qiáng)性的硬度炭黑，對(duì)合成橡膠很適用(對(duì)NR也適用)，含水量氧量少，呈堿性，起促進(jìn)硫化的作用，廣泛用于要求耐磨性好的制品，如輪胎胎面膠。
3、氣基爐法炭黑(瓦斯?fàn)t法炭黑，補(bǔ)強(qiáng)性小，稱為軟質(zhì)炭黑)，以天然氣及一定比例空氣在爐內(nèi)進(jìn)行不完全燃燒而得。快壓出爐黑 FEF(Fast Extruding Furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N550，粒子較前面粗，有別于混煉壓出工藝，用于內(nèi)胎膠。細(xì)粒子爐黑 FF(Fine Furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N440，結(jié)構(gòu)性較低，能提高膠料的彈性和耐屈撓性。通用爐黑 GPF(General purpose furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N660，粒子較大，兼有加工性能好，高定伸，高彈性、生熱小等特點(diǎn)。高定伸爐黑 HMF(High modulus furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N601，提高膠料的定伸應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)性高于SRF，但低于GPF。半補(bǔ)強(qiáng)爐黑 SRF(Semi-reinforcing furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N754(低結(jié)構(gòu))、N765(高結(jié)構(gòu))，粒子較大，加工生熱小，賦予硫化膠料彈性高、伸長(zhǎng)率大，耐屈撓性以及粘著性能好。用于內(nèi)胎、膠管時(shí)，填充量可大些。
4、熱裂法和其它類型炭黑(軟質(zhì)炭黑，基本無(wú)補(bǔ)強(qiáng)作用)細(xì)粒子熱裂法爐黑 FT(Fine thermal black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N880，適用于NR及合成膠中，常用于內(nèi)胎。中粒子熱裂法爐黑 MT(Medium thermal black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N990，適用于NR及合成膠中，多用于模壓制品，特別適用于耐油制品。以上兩種粒徑較大，幾乎無(wú)補(bǔ)強(qiáng)作用，多作為廉價(jià)的填料使用，適用于壓出制品及機(jī)械強(qiáng)度要求不高的制品。導(dǎo)電爐黑 CF(Conductive furnace black)，ASTM標(biāo)號(hào)為N293。乙炔炭黑 ACET(Acetylene black)，粒徑中等，為所有炭黑中結(jié)構(gòu)性最高。新工藝炭黑以爐法生產(chǎn)為基礎(chǔ)，經(jīng)改善工藝性能而制得。多用爐黑MPF(Multi-purpose furnace black)全用爐黑APF(All-purpose furnace black)超易操作爐黑SPF(Super processing furnace black)。特點(diǎn)為粒徑小，粒徑分布窄，表面光滑，加工工藝性能好，補(bǔ)強(qiáng)輪胎側(cè)內(nèi)胎及其他工業(yè)制品。
二、在配制合成膠胎面時(shí)應(yīng)選用何種炭黑
1、胎面膠要求：機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好，彈性好，有一定的耐熱、耐老化性，合成膠自補(bǔ)強(qiáng)性差，應(yīng)選用補(bǔ)強(qiáng)性大的炭黑(硬質(zhì)炭黑)，爐黑中SAF粒子太細(xì)，不易分散，加工性能不好，而ISAF、HAF料合適，槽黑對(duì)合成膠補(bǔ)強(qiáng)性不大。
2、若是NR胎面，由于槽里MPC、EPC補(bǔ)強(qiáng)性大，幫可選EPC、MPC、ISAF、HAF、SAF。
3、若NR/合成膠并用，且以NR為主，則利用槽爐黑并用
4、若合成膠/NR并用，且以合成膠為主，則選用爐黑。
三、 炭黑的基本性質(zhì)
炭黑對(duì)橡膠有優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)效果，這與炭黑的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有密切關(guān)系。
1 、炭黑的基本結(jié)構(gòu)
由C、H化合物(油或天然氣)經(jīng)過(guò)高溫裂解而成碳?xì)浠衔铩?/p>
各種炭黑之間的區(qū)別在于：微晶體堆砌過(guò)程中的規(guī)整性，即粒子中微晶體排列的規(guī)整性因各種炭黑而異。
規(guī)整性：熱裂法炭黑>氣基爐法炭黑>槽黑>爐黑
2 、 炭黑的化學(xué)組成
分析結(jié)果表明，炭黑的組成除大部分為C元素外，還包含有少量的H、S、O等元素以及其它雜質(zhì)和水分等，其含量因各種炭黑品種而異。
3 、炭黑的基本性質(zhì)
炭黑粒子的表面性質(zhì)和表面化學(xué)活性。(影響補(bǔ)強(qiáng)性能的第一因素，強(qiáng)度因素)，表面性質(zhì)：粒子表面上含氧基團(tuán)微晶體的不飽和性?；瘜W(xué)活性：指炭黑粒子與橡膠結(jié)合的能力。實(shí)驗(yàn)證明，化學(xué)活性大的炭黑與橡膠結(jié)合能力大，補(bǔ)強(qiáng)作用大。化學(xué)活性來(lái)源于其粒子中微晶結(jié)構(gòu)的不飽和性;粒子表面上的含氧基團(tuán)。它們直接影響到炭黑的化學(xué)性質(zhì);同時(shí)影響炭黑的PH值及膠料的硫化速度。
炭黑粒子的大小，(影響補(bǔ)強(qiáng)性能的第二因素，廣度因素)，一般來(lái)說(shuō)，炭黑比表面 >50m/g 則補(bǔ)強(qiáng)作用越大。炭黑的結(jié)構(gòu)性(影響補(bǔ)強(qiáng)性能的第三因素，形狀因素)
炭黑的一次結(jié)構(gòu)(基本聚集體，聚熔體，永久結(jié)構(gòu))，炭黑在制造過(guò)程中，粒子間互相融結(jié)而形成的鏈枝狀或葡萄狀的聚集體叫一次結(jié)構(gòu)。它由化學(xué)鍵結(jié)合，煉膠過(guò)程中不受破壞，是炭黑在膠料中最小可分散的單位。
炭黑的二次結(jié)構(gòu)(次級(jí)聚集體)，指兩個(gè)或兩個(gè)以上，通過(guò)范德華力(物理吸附)而形成的疏松締合物。結(jié)合較弱，有些在造粒時(shí)被破壞，大多在煉膠時(shí)被破壞。結(jié)構(gòu)性指炭黑粒子連接成長(zhǎng)鏈并融結(jié)在一起而成的三度空間的聚集傾向。粒子粘連越多，結(jié)構(gòu)性越高。結(jié)構(gòu)性的表示方法，形狀因素(早期使用，由電鏡觀察到)，形態(tài)因素(近年來(lái)使用)
吸油值——指每克炭黑吸油的毫升數(shù)。常用DBP(鄰苯二甲酸二丁酯)來(lái)測(cè)量，稱為DBP吸油值，DBP值越大，說(shuō)明炭黑吸油性越大，結(jié)構(gòu)性越高。
總之，活性大，粒子小，結(jié)構(gòu)性高的炭黑，補(bǔ)強(qiáng)性能大，硫化膠的拉伸強(qiáng)度，定伸應(yīng)力，硬度，撕裂強(qiáng)度，耐磨性，定負(fù)荷下的耐疲勞性好;伸長(zhǎng)率，回彈性小，定變形下疲勞生熱性大。
四、炭黑的用量
一般為40～50份，過(guò)少起不到很好的補(bǔ)強(qiáng)作用，且不利于降低成本;過(guò)多則出現(xiàn)硬化效應(yīng)，但對(duì)熱裂法炭黑則不限。
炭黑用量對(duì)補(bǔ)強(qiáng)性的影響表現(xiàn)在：硬度，定伸應(yīng)力和生熱性等，隨炭黑增量出現(xiàn)單調(diào)增大;回彈性，伸長(zhǎng)率等出現(xiàn)單調(diào)下降;抗張強(qiáng)度(40—50份)，撕裂強(qiáng)度及耐磨耗性(50—60份)等隨炭黑增量出現(xiàn)最大值。對(duì)于自補(bǔ)強(qiáng)性橡膠，用量略低些，而非補(bǔ)強(qiáng)性橡膠則用量略高些。
五、炭黑對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用機(jī)理
首先介紹應(yīng)力軟化：橡膠拉伸，所用拉力逐漸降低的現(xiàn)象。
1、容積效應(yīng)
炭黑在應(yīng)力作用下不會(huì)變形，所以在炭黑膠料中，橡膠大分子受到的變形比外觀的變形大。這叫做容積放大效應(yīng)。Mullins和Tobin認(rèn)為炭黑膠料的應(yīng)力軟化與純硫化膠一樣，所不同的是炭黑膠料中由于容積效應(yīng)而有較大的應(yīng)力軟化和損耗。
2、弱鍵和強(qiáng)鍵學(xué)說(shuō)
50年代提出這個(gè)學(xué)說(shuō)。應(yīng)力軟化是物理吸附的弱鍵在外力的作用下橡膠鏈脫離炭黑表面的結(jié)果。斷裂時(shí)剩下的僅為強(qiáng)鍵，對(duì)于炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用，諸如拉伸強(qiáng)度、抗撕裂和耐磨耗等有關(guān)橡膠抵抗最后破裂作用的能力來(lái)說(shuō)，少數(shù)化學(xué)吸附的強(qiáng)健數(shù)目最為重要。因此對(duì)要求補(bǔ)強(qiáng)件高的就應(yīng)該有較多的強(qiáng)鍵數(shù)日、即要使用高活性的比表面積大的炭黑。
3、Bueche的炭黑粒子與橡膠鏈的有限伸長(zhǎng)學(xué)說(shuō)
這個(gè)學(xué)說(shuō)只考慮炭黑粒子與橡膠鏈所成的強(qiáng)鍵，橡膠鏈在應(yīng)力作用下伸長(zhǎng)到接近它們?cè)诹Ｗ娱g的最大長(zhǎng)度時(shí)，得到高模量。當(dāng)超過(guò)這個(gè)長(zhǎng)度就會(huì)脫離炭黑表面或斷裂。當(dāng)拉伸超過(guò)最短鏈的長(zhǎng)度時(shí)，它先行斷裂，之后按長(zhǎng)短依次斷裂;第二次伸及時(shí)，缺乏這些鏈的支持，應(yīng)力下降、即應(yīng)力軟化。應(yīng)力恢復(fù)是在松馳狀態(tài)下炭黑粒子間的橡膠鏈重新分布，脫離的鏈又被新鏈所替代。無(wú)炭黑存在時(shí)，橡膠鏈斷裂后，它的應(yīng)力由相鄰的鏈負(fù)擔(dān)，易于相繼斷裂;有炭黑存在時(shí)，粒子間有多條橡膠鏈，一條鏈斷了，應(yīng)力由其他鏈分擔(dān)，炭黑達(dá)著均勻應(yīng)力的作用，減慢整體的破裂。當(dāng)伸長(zhǎng)大時(shí)，炭黑也會(huì)移動(dòng)，這種移動(dòng)也起著緩和應(yīng)力的作用。均勻和緩和應(yīng)力就是補(bǔ)強(qiáng)的原因。
4、殼層模型理論
核磁共振研究己證實(shí)，在炭黑表面有一層由兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)橡膠大分子構(gòu)成的吸附層。在緊鄰著炭黑表面的大約0.5nm(相當(dāng)于大分子直徑)的內(nèi)層，呈玻璃態(tài);離開炭黑表面大約0.5—5nm范圍內(nèi)的橡膠有運(yùn)動(dòng)性，呈亞玻璃態(tài)，這層叫外層。這兩層構(gòu)成炭黑表面上的雙殼層。這個(gè)雙殼的界面層中的結(jié)合能必定從里向外連續(xù)下降，即炭黑表面對(duì)大分子運(yùn)動(dòng)性的束縛不斷下降。最后到橡膠分子不受束縛的自由狀態(tài)。
對(duì)殼層補(bǔ)強(qiáng)作用的解釋是雙殼層起骨架作用，構(gòu)成一個(gè)橡膠大分子與填料整體網(wǎng)絡(luò)，改變了硫化膠的結(jié)構(gòu)，因而提供了硫化膠的物理機(jī)械性能。
5、橡膠大分子鏈滑動(dòng)學(xué)說(shuō)
這是比較新、比較全而的炭黑補(bǔ)強(qiáng)理論。該理論的核心是橡膠大分子能在炭黑表面上滑動(dòng)，由此解釋了補(bǔ)強(qiáng)現(xiàn)象。炭黑粒子表面的活性不均一，有少數(shù)強(qiáng)的活性點(diǎn)以及一系列的能量不同的吸附點(diǎn)。吸附在炭黑表面的橡波鏈可以有各種不同的結(jié)合能量，由多數(shù)弱的范德華力的吸附以至少量強(qiáng)的化學(xué)吸附。吸附的橡膠鏈段在應(yīng)力作用下會(huì)滑動(dòng)伸長(zhǎng)。
大分子滑動(dòng)學(xué)說(shuō)的基本概念用示意圖表示。
表示膠料原始狀態(tài)，長(zhǎng)短不等的橡膠分子鏈被吸附在炭黑粒子表面上。當(dāng)伸長(zhǎng)時(shí)，這條最短的鏈不是斷裂而是沿炭黑表面滑動(dòng)，原始狀態(tài)吸附的長(zhǎng)度用點(diǎn)標(biāo)出，可看出滑移的長(zhǎng)度。這時(shí)應(yīng)力由多數(shù)伸直的鏈承擔(dān)，起應(yīng)力均勻作用，緩解應(yīng)力集少為補(bǔ)強(qiáng)的第一個(gè)重要因素。當(dāng)伸長(zhǎng)再增大，鏈再滑動(dòng)，使橡膠鏈高度取向，承擔(dān)大的應(yīng)力，有高的模量，為補(bǔ)強(qiáng)的第二個(gè)重要因素。由于滑動(dòng)的摩擦使膠料有滯后損耗。損耗會(huì)消去一部分外力功，化為熱量，使橡膠不受破壞，為補(bǔ)強(qiáng)的第三個(gè)因素。收縮后膠料的狀況，表明再伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力軟化效應(yīng)，膠科回縮后炭黑粒子間橡膠鏈的長(zhǎng)度差不多一樣，再伸長(zhǎng)就不需要再滑動(dòng)一次，所需應(yīng)力下降。在適宜的情況(加膨脹)下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，由于橡膠鏈的熱運(yùn)動(dòng)，吸附與解吸附的動(dòng)態(tài)平衡，粒子間分子鏈長(zhǎng)度的重新分布，膠料又恢復(fù)至接近于原始狀態(tài)。但是如果初次伸長(zhǎng)的變形量大，恢復(fù)常不超過(guò)50%。
以上就是炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編為大家整理的全部?jī)?nèi)容了，你是否對(duì)炭黑的補(bǔ)強(qiáng)的了解又多了一些呢?如有問(wèn)題可以隨時(shí)在評(píng)論區(qū)討論。
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