1、第三章第三章 橡胶的补强与填充体系橡胶的补强与填充体系 第一节第一节 概述概述 补强剂与填充剂统称填料，起提高各项力学性补强剂与填充剂统称填料，起提高各项力学性能能,降低成本的作用。降低成本的作用。炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料，其耗量炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料，其耗量约占橡胶耗量的一半。无机填料的用量已和炭黑用量约占橡胶耗量的一半。无机填料的用量已和炭黑用量相当。相当。一次结构粒径、形态、表面活性等填料性质对于一次结构粒径、形态、表面活性等填料性质对于填充聚合物体系的加工性能和成品性能具有决定性的填充聚合物体系的加工性能和成品性能具有决定性的影响。影响。1.1.补强与填充的重要性
2、补强与填充的重要性:橡胶工业用的补强剂是炭黑和白炭黑。橡胶工业用的补强剂是炭黑和白炭黑。炭黑可以使橡胶的强度提高约炭黑可以使橡胶的强度提高约1010倍。倍。炭黑对橡胶的补强效果炭黑对橡胶的补强效果 胶种胶种 未补强未补强 的拉伸强度的拉伸强度/MPa/MPa 炭黑补强炭黑补强 的拉伸强度的拉伸强度/MPa/MPa SBRSBR 2.52.5-3.53.5 2020-2626 NBRNBR 2.02.0-3.03.0 2020-2727 EPDMEPDM 3.03.0-6.06.0 1818-2525 BRBR 8.08.0-10.010.0 1818-2525 NRNR 16.016.0-24
3、.024.0 2424-3535 填充可起到增大体积，降低成本，填充可起到增大体积，降低成本，改善加工工艺性能，如减少半成品收改善加工工艺性能，如减少半成品收缩率、提高硫化胶硬度。缩率、提高硫化胶硬度。常用的有陶土，碳酸钙，滑石粉等。常用的有陶土，碳酸钙，滑石粉等。2.2.填料的分类填料的分类:第二节第二节 炭黑的品种与性炭黑的品种与性质质 一一.品种及分类品种及分类:ASTM D1765(Rubber Standards)ASTM D1765(Rubber Standards)Standard Classification System for Carbon Blacks Used in R
4、ubber ProductsStandard Classification System for Carbon Blacks Used in Rubber Products 1.Scope1.Scope 1.1 This classification system covers the classification of rubber-grade carbon blacks by the use of a four-character nomenclature system.The first character gives some indication of the influence o
5、f the carbon black on the rate of cure of a typical rubber compound containing the black.The second character gives information on the average surface area of the carbon black.The last two characters are assigned arbitrarily.1.2 All rubber-grade carbon blacks for which a number is currently assigned
6、 at the time of publication of this classification system are listed in Table 1 together with some of their typical properties.ASTM classification numbers(“N”or“S”designation)not listed in Table 1 have either been withdrawn or are not currently assigned.The use of inactive or unassigned N or S desig
7、nations is prohibited until such a time as the designation is officially reactivated or assigned by Subcommittee D24.41 1.3 The values stated in SI units are to be regarded as standard.No other units of measurement are included in this standard.1.4 This standard does not purport to address all of th
8、e safety concerns,if any,associated with its use.It is the responsibility of the user of this standard to establish appropriate safety and health practices and determine the applicability of regulatory limitations prior to use.接触法炭黑接触法炭黑 炉法炭黑炉法炭黑 热裂法炭黑热裂法炭黑 新工艺炭黑新工艺炭黑 .按制造方法分按制造方法分 .接触法炭黑接触法炭黑:把原料气燃
9、烧的火焰同温度较低的把原料气燃烧的火焰同温度较低的收集面接触，使不完全燃烧的炭黑收集面接触，使不完全燃烧的炭黑冷却并附着在收集面上，再加以收冷却并附着在收集面上，再加以收集。集。包括槽法炭黑，滚筒法炭黑和圆盘包括槽法炭黑，滚筒法炭黑和圆盘炭黑。炭黑。槽法炭黑是以天然气为原料，通过特槽法炭黑是以天然气为原料，通过特别的火嘴，使炭黑沉积在槽钢表面，别的火嘴，使炭黑沉积在槽钢表面，并加以收集。并加以收集。原料为甲烷为主的天然气，故又称为原料为甲烷为主的天然气，故又称为天然气槽法炭黑或瓦斯槽法炭黑。槽天然气槽法炭黑或瓦斯槽法炭黑。槽法炭黑转化率大约为法炭黑转化率大约为5 5。特点是含。特点是含氧量大（
10、约氧量大（约3 3），呈酸性，灰分较），呈酸性，灰分较少（低于少（低于0.10.1），现已很少使用。），现已很少使用。这是炭黑的主要品种。采用气态这是炭黑的主要品种。采用气态烃，液态烃或混合作为原料，供以适烃，液态烃或混合作为原料，供以适量的空气，在反应炉内高温下燃烧，量的空气，在反应炉内高温下燃烧，生成的炭黑悬浮在烟气中，经冷却后生成的炭黑悬浮在烟气中，经冷却后收集。收集。.炉法炭黑：炉法炭黑：共同特点：共同特点：含氧量小（约含氧量小（约1 1），呈），呈碱性，灰分较多（碱性，灰分较多（0.20.20.60.6）方法方法 原料原料 转化率转化率 气炉法气炉法 只使用气态烃只使用气态烃 如：天
11、然气如：天然气 28283737。油炉法油炉法 只使用液态烃只使用液态烃 如：柴重油如：柴重油 40407575。炉法炭黑的比较炉法炭黑的比较 在已预热的反应炉（在已预热的反应炉（1200120014001400）内，将天然气或乙炔在隔绝空气）内，将天然气或乙炔在隔绝空气条件下使其裂解而制得的炭黑。转化条件下使其裂解而制得的炭黑。转化率率30304747，炭黑粒子粗大，补强性，炭黑粒子粗大，补强性低，含氧量低（不到低，含氧量低（不到0.20.2），含碳量），含碳量达达9999以上。以上。.热裂法炭黑：热裂法炭黑：.新工艺炭黑新工艺炭黑 第二代炭黑，由原炉法炭黑生产工第二代炭黑，由原炉法炭黑生产
12、工艺改进。补强性比相应传统炭黑高一个艺改进。补强性比相应传统炭黑高一个等级。在比表面相同的条件下，耐磨性等级。在比表面相同的条件下，耐磨性提高了提高了20205555。分布较窄，表面较。分布较窄，表面较光滑。光滑。N375,N339,N352,N234,N299N375,N339,N352,N234,N299等均等均为新工艺炭黑。为新工艺炭黑。.按作用分按作用分 硬质炭黑硬质炭黑:粒径在粒径在40nm40nm以下，补强性能高以下，补强性能高的的炭黑，如超耐磨，中超耐磨，高耐磨炭炭黑，如超耐磨，中超耐磨，高耐磨炭黑等。黑等。软质炭黑软质炭黑:粒径在粒径在40nm40nm以上，补强性能低以上，补强
13、性能低的炭黑，如半补强炭黑，热裂法炭黑等。的炭黑，如半补强炭黑，热裂法炭黑等。.按按ASTMASTM标准分类标准分类 我国我国8080年代开始采用美国年代开始采用美国ASTM1765ASTM1765-8181分类命名法。分类命名法。由四位数码组成，第一个符号为由四位数码组成，第一个符号为N N或或S S，代表硫化速度。代表硫化速度。N N表示正常硫化速度，表示正常硫化速度，S S表示硫化速度慢。表示硫化速度慢。后接三个数字，第一位数表示炭黑的后接三个数字，第一位数表示炭黑的平均粒径范围；第二和第三位数无明平均粒径范围；第二和第三位数无明确意义，仅表示各系列中不同牌号间确意义，仅表示各系列中不同
14、牌号间的区别。的区别。粒径按电镜法测得的数据划分为粒径按电镜法测得的数据划分为1010个个范围，从范围，从1111500nm500nm之间。之间。如如N330 表示炉法生产的炭黑，硫化表示炉法生产的炭黑，硫化速度正常，平均粒径范围在速度正常，平均粒径范围在2630nm。是这个系列中的典型炭黑。是这个系列中的典型炭黑。N347 是这个系列中高结构的炭黑是这个系列中高结构的炭黑;N326 是这个系列中低结构的炭黑；是这个系列中低结构的炭黑；N339 是这个系列中新工艺炭黑是这个系列中新工艺炭黑.共同特点均有共同特点均有N3，后面两位数字表示，后面两位数字表示该系列中不同的规格。该系列中不同的规格。
15、二二.炭黑的微观结构和性质炭黑的微观结构和性质:炭黑的基本结构单元是聚集炭黑的基本结构单元是聚集体，微观结构是指炭黑聚集体，微观结构是指炭黑聚集体内部的结构。体内部的结构。层次为：元素碳碳核（六层次为：元素碳碳核（六边形）多核表面炭黑微边形）多核表面炭黑微晶炭黑粒子炭黑的一次晶炭黑粒子炭黑的一次结构（聚集体）结构（聚集体）1.1.粒径及分布粒径及分布：粒径常用：粒径常用平均粒径表示，单位平均粒径表示，单位 nmnm。分布窄的补强效果好，分布窄的补强效果好，一般用电镜观察至少一般用电镜观察至少2002000 0粒子，作粒径分布曲线，粒子，作粒径分布曲线，越细分布往往越窄。越细分布往往越窄。粒径（
16、或比表面），结构度和表面活性粒径（或比表面），结构度和表面活性是炭黑是炭黑的三大基本性质，常称为补强三要素。的三大基本性质，常称为补强三要素。2.2.比表面积（表面活性）比表面积（表面活性）:单位单位/g/g。测定方法有电镜法，测定方法有电镜法，BETBET法（低温氮法（低温氮吸附法），吸附法），CTABCTAB法（大分子吸附法）法（大分子吸附法）和碘吸附法。只有和碘吸附法。只有BETBET法测得数据表法测得数据表示总表面积，另几种数据仅表示外表示总表面积，另几种数据仅表示外表面积。面积。3.3.结构度：结构度：表明炭黑聚集体的链枝结构表明炭黑聚集体的链枝结构的发达程度，接近于球形的结构度低，的发达程度，接近于球形的结构度低，链枝多的结构度多。采用高芳香烃油链枝多的结构度多。采用高芳香烃油类生产的高耐磨炉黑有较高的结构度。类生产的高耐磨炉黑有较高的结构度。结构度的测定有电镜法及图像分析法，结构度的测定有电镜法及图像分析法，吸油值法，视比容法及水银压入法等。吸油值法，视比容法及水银压入法等。工业上广泛采用的是工业上广泛采用的是吸油值法吸油值法，即用，即用DBPDBP的吸收值来表征炭黑的结