沉淀法白炭黑是橡膠體系重要的補(bǔ)強(qiáng)填料, 其化學(xué)指標(biāo)與膠料的物理性能有著極為密切的關(guān)系, 尤其是近年來, 備受矚目的綠色輪胎的研制與開發(fā), 特別對其混合體系中采用的白炭黑填料提出了新的要求。 BET, CTAB和 Ssears比表面積,DBP吸油值, 表面羥基的含量, 平均粒徑及粒徑分布等化學(xué)指標(biāo)從不同側(cè)面表征了白炭黑的聚集形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)。通過對沉淀法白炭黑化學(xué)指標(biāo)的分析, 即可很好地預(yù)測出它在膠料體系中的分散狀態(tài)與補(bǔ)強(qiáng)效果。

白炭黑化學(xué)指標(biāo)對膠料基本性能的影響

  比表面積

    白炭黑比表面積通常指氮吸附比表面積值, 它反映了白炭黑附聚體內(nèi)外表面積的總和,是衡量膠料加工性能與物理性能的重要指標(biāo)。

     白炭黑結(jié)構(gòu)單元是—O—Si—O—共價(jià)鍵無規(guī)則連接的三維網(wǎng)絡(luò)。 在原始粒子聚結(jié)成二次粒子的過程中,硅與氧的不完全鍵合,致使白炭黑微粒表面殘存著一定數(shù)量的羥基。  白炭黑的比表面積越大, 表面剩余羥基越多, 羥基顯現(xiàn)的表面活性就越顯著。積意味著較多的表面羥基, 它們以氫鍵的形式聚集, 使得白炭黑顆粒之間的相互作用增強(qiáng), 而羥基與橡膠分子的不相容性,則減弱了白炭黑與橡膠體系的充分接觸。 因此,混煉膠的表觀粘度提高。 同時(shí),表面羥基的相互作用會導(dǎo)致游離硅醇基團(tuán)增多, 對助劑產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用, 硫化速率大幅下降。

    白炭黑比表面積對膠料靜態(tài)物理性能的影響主要體現(xiàn)在邵爾硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率和壓縮永久變形上。  因?yàn)? 白炭黑與膠料形成的混合體系中,兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共同決定著對硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)效果:一是白炭黑填料-填料間的相互作用; 另一個是白炭黑填料-聚合物分子間的相互作用。 當(dāng)整個體系處于低應(yīng)變場合時(shí), 白炭黑填料間的相互作用 占主導(dǎo)地位; 當(dāng)處于高應(yīng)變場合時(shí), 聚合物分子與填料的相互作用成為主要因素。 隨著白炭黑比表面積增大, 聚合物與填料的相互作用增強(qiáng),使得邵爾硬度、定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度與比表面積呈正相關(guān)變化。但在高應(yīng)變場合下,白炭黑填料間的網(wǎng)絡(luò)被破壞,這種破壞不容易恢復(fù),膠料的物理性能上則表現(xiàn)出來扯斷伸長率大,永久變形大。

    沉淀法白炭黑比表面積對膠料動態(tài)物理性能的影響是隨著綠色輪胎的發(fā)展而被逐步認(rèn)知的。 大量的研究結(jié)果表明:高比表面積的白炭黑具有較高的表面自由能,在混合體系中重組自聚的傾向增大,難于分散,生熱大。 表現(xiàn)在膠料的物理性能上即60℃tanδ高, 0℃tanδ低, 60℃復(fù)數(shù)模量 E★低。這 3 個指標(biāo)是衡量輪胎胎面膠動態(tài)綜合性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。60 ℃tanδ值被公認(rèn)為是輪胎滾動阻力的量度, 它與生熱值呈正相關(guān)變化。 BLUME A等給出了不同比表面積下60℃tanδ與生熱的關(guān)系(圖2)[1]。而 0℃tanδ和60℃復(fù)數(shù)模量 E★分別與濕路面牽引力和耐磨性能相關(guān)。 在綠色輪胎的發(fā)展過程中, 作為補(bǔ)強(qiáng)填料的沉淀法白炭黑經(jīng)歷了兩個階段的演變,即比表面積從傳統(tǒng)的190～210 m2/g難分散產(chǎn)品降至比表面積為160～180 m2/g的易分散( EDS)。