《橡胶工业》年第69卷第5期
DOI:10./j.issn.-X..05.
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作者简介
吴晓林（—），男，山东青州人，山东联科新材料有限公司高级工程师，学士，主要从事炭黑企业管理和工程技术方面工作。
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炭黑与橡胶的相容性对乙丙橡胶中炭黑引起的焦烧的影响
吴晓林，赵国刚，姜宝环，张中山
（山东联科新材料有限公司）
摘要：三元乙丙橡胶（EPDM）因大量填充炭黑引起的焦烧（简称炭黑焦烧）会影响胶料的混炼、储存和后续加工过程。本工作选用常规炭黑N和经过后处理的炭黑N，研究炭黑与橡胶的相容性对EPDM混炼胶的炭黑焦烧的影响。结果表明，在生产过程中对炭黑N进行后处理可将表面的含氧官能团分解，从而降低其氧含量和表面极性，增大pH值。与常规炭黑N相比，经后处理的炭黑N与EPDM的相互作用强，相容性好；经过后处理的炭黑N混炼胶的初始门尼粘度降低5%左右，炭黑焦烧的活化能提高30%以上，炭黑焦烧时间t5延长30%以上，Payne效应降低10%以上，可使硫化胶的滞后损失和生热降低。
关键词：三元乙丙橡胶；炭黑；焦烧；表面极性；相容性；活化能；Payne效应
主要内容
研究背景本工作主要研究两种炭黑N的表面极性对EPDM混炼胶的炭黑焦烧的影响，从炭黑与橡胶的相容性角度对EPDM混炼胶的Payne效应、活化能和结合胶含量变化进行分析，为橡胶制品生产选择合适的炭黑产品提供新的思路。
1 实验
1.1 主要原材料
EPDM，牌号Keltan?8C，乙烯质量分数为48.0%，第三单体亚乙基降冰片烯（ENB）质量分数为5.5%，门尼粘度[ML（1＋4）℃]为80，德国朗盛公司产品；常规和后处理炭黑N，山东联科新材料有限公司产品。
1.2 试验配方
EPDM ，炭黑N ，氧化锌 5，硬脂酸 1，石蜡油 80。
1.3 主要设备和仪器
1.5L电加热密炼机，广东利拿工业有限公司产品；X（S）K-型开炼机，无锡市第一橡塑机械有限公司产品；YHG-A型鼓风干燥箱，上海姚氏仪器设备厂产品；ElementarVarioELcube型有机元素分析仪，德国Elementar公司产品；GT--S2型门尼粘度计，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品；RPA橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品。
1.4 试样制备
1.5 测试分析
（1）炭黑的氧含量（质量分数）。
（2）炭黑pH值。
（3）门尼粘度。
（4）炭黑焦烧性能。
（5）Payne效应。
（6）结合胶含量（质量分数）。
2 结果与讨论
2.1 炭黑表面性质
常规和后处理炭黑N的氧含量和pH值对比如表1所示。
2.2 炭黑表面性质对炭黑焦烧的影响
炭黑与橡胶间的相互作用不仅与炭黑的极性有关，也与橡胶的极性有关。常规与后处理炭黑N混炼胶的炭黑焦烧过程对比见图1。
2.3 炭黑表面性质对其分散的影响
填料填充胶料的储能模量（G′）随着应变的增大而呈现典型的非线性降低的现象称为Payne效应。对于填料用量相同的胶料，Payne效应主要受橡胶基体中填料网络数量和强度的影响。随着动态应变的增大，填料-填料网络被迅速破坏，造成G′急剧下降。通常用小应变与大应变下G′的差值（ΔG′）来表征填料的网络化程度。本试验ΔG′为应变0.28%与70%时G′的差值。常规与后处理炭黑N混炼胶的G′-应变曲线对比如图2所示。
2.4 炭黑焦烧活化能
不同表面特性的炭黑N粒子在EPDM基体中的聚集快慢与聚集活化能密切相关，尽管聚集本身并不是化学反应过程，但可以采用阿累尼乌斯方程计算炭黑焦烧的活化能。根据文献[10-11]的方法，对混炼胶不同热处理温度（T）下的t5或t10绘制散点图，采用线性拟合得到一条直线，根据直线斜率（k）计算特定试验配方混炼胶的炭黑焦烧活化能：
式中，Ea为炭黑焦烧活化能，R为理想气体常数。
两种炭黑N混炼胶的炭黑焦烧活化能计算的线性拟合曲线如图3所示，炭黑焦烧活化能对比如表2所示。
2.5 结合胶含量
通常认为结合胶含量是橡胶与炭黑相互作用力的量度，炭黑与橡胶间的相互作用力越大，生成的结合胶越多。炭黑焦烧前后结合胶含量的测试结果如表3所示。
无论是否发生炭黑焦烧，由于常规炭黑N与EPDM间的相容性较差，炭黑粒子在EPDM基体中均生成更多、更强的填料网络（如图4所示），因此常规炭黑N混炼胶的结合胶含量更高。
3 结论
（1）在生产过程中对炭黑N进行后处理，可明显降低炭黑表面的氧化程度，使炭黑氧含量降低，pH值增大。
（2）与常规炭黑N相比，后处理炭黑N与EPDM表面极性的差异较小，增大了炭黑与EPDM的橡胶相互作用力，从而提高了炭黑与EPDM的相容性，炭黑焦烧所需的活化能提高30%以上，炭黑焦烧时间t5延长30%以上。
（3）与常规炭黑N混炼胶相比，后处理炭黑N混炼胶的初始门尼粘度降低5%，门尼粘度稳定性好，可保证混炼和后续挤出等工艺顺利进行；Payne效应降低10%以上，可使硫化胶的滞后损失和生热降低，提升产品品质并延长其使用寿命。
EffectofCompatibilitybetweenCarbonBlackandRubberonScorchPhenomenonofEPDMCompoundCausedbyCarbonBlack
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