中粒子热裂解法炭黑N990在轮胎硫化胶囊上的应用
背景:
肯卡伯公司曾介绍,热裂解炭黑在轮胎卤化丁基橡胶内衬层中添加量很高。这一特点在理论上还可以应用于其他相似的产品，比如硫化胶囊、内胎和体育用球类内胆等。这篇技术报告提供了肯卡伯公司关于N990应用在轮胎用丁基硫化胶囊中的评估结果。
轮胎硫化胶囊：基本信息
轮胎硫化胶囊（膜）是硫化加工时，在生胎内部充气膨胀、发挥密封作用的弹性橡胶袋。它是橡胶在耐高温和抗屈挠方面最重要的应用之一。胶囊的材料像所有橡胶材料一样要满足一些最苛刻和最严格的要求，概括的说有以下几点：
标准硫化胶囊配方
丁基硫化胶囊的典型配方中，添加的是50或55份的N330（高耐磨炉黑）。和通用炉黑和快压出炉黑相比，高耐磨炉黑能给胶料提供更好的撕裂强度，并已被广范应用。下面是一份典型配方：
丁基橡胶268 |
100份 |
EXXON |
通用氯丁橡胶 WRT |
5份 |
DuPont* |
高耐磨炉黑N330 |
50份 |
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蓖麻油 |
5份 |
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氧化锌 |
5份 |
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活性酚醛树脂 |
10份 |
丁基交联树脂，标号SP1045 |
*5份氯丁橡胶添加在丁基交联树脂胶料中，卤素的作用是活化树脂的交联反应。
为了得到胶囊的最佳外观，关键是控制好氯丁橡胶、炭黑、氧化锌和交联树脂的分散。
基于以上的配方，按照下面所列出的炭黑添加种类、份数构成不同的胶料样品，在美国俄亥俄州布莱克斯韦尔的BF古特里奇实验室作了测试。（该实验室是被A2LA正式认可并通过了ISO9001认证的。）
胶料样品 #1—50份N330高耐磨炉黑（对照胶料）
胶料样品 #2—110份N990
胶料样品 #3—90份N990，20份N660通用炉黑
胶料样品 #4—80份N990，30份N330
胶料样品 #5—90份N990，20份N330
胶料样品 #6—40份N990，40份N330
胶料样品 #7—50份N990，40份N330
胶料样品 #8—60份N990，40份N330
胶料样品 #9—90份N990超纯*，20份N330
除了使用了超纯的N990以外，#9样品和 #5 样品的配方是一致的；这样能够观察到低PH值的热裂解炭黑对硫化时间的影响。超纯Thermax N990炭黑特征PH值为6，而标准N990的PH值是10。
结果如表1所示。
分析：
所有的结论是在橡胶胶料中使用了热裂解炭黑后典型效果的体现。由于N990的大粒径和低结构，总的来说它是一种非补强性炭黑，同时它提高了胶料的动态性能；它并没有像炉黑那样给胶料提供强度和补强性。
2# 样品添加了110份N990，与预期的一样，得到了最低的粘度。并且它得到了与对照胶料相似的定伸强度，这一点可能会令一些胶囊制品厂家感兴趣。
5#，6# 和8# 样品和对照橡胶胶料很相似。5# 样品除了需要长一点的硫化时间以外，其他加工性能和对照胶料大致一样。这一结论在添加了N990的其他样品中也得到了证明，因为和其他炭黑相比，N990能够提供给胶料更好的焦烧安全性。这一点在9# 配方中得到了证实。9# 配方是添加了90份低PH值的超纯Thremax N990热裂解炭黑。
在拉伸性能（老化前、老化后、高温应用）上，添加N990的胶料样品比对照胶料一般要低，但认为足够满足应用要求；扯断伸长率却明显比对照胶料低，这一点需要关注。6# 应该具有足够的扯断伸长率。
5# 样品的撕裂强度也明显低于对照胶料。但是和添加40份N330和60份N990的8# 具有相当的撕裂强度。
在所有测试的胶料样品中，炭黑添加份数的提高改进了热传导性（即提高了热传导率）。8# 样品显示了预期的结果。这是炭黑高填充份数带来的性能；高填充量是热裂解炭黑的最显著特征，甚至比性能特性更吸引人。高的热传导率在胶囊材料上是个优点，因为热量传递加快可以得到硫化时间的缩短。估计每条轮胎的硫化时间可以减少10—20秒。
包括对照胶料在内的所有配方胶料样品DeMattia龟裂增长测试结果都不好，显示出抗龟裂增长性不足。通过这个实验我们发现，为了得到更有效、真实的抗龟裂增长性测试结果，应该为实验准备两个以上样品。
含有热裂解炭黑的样品硫化速率比对照胶料的低，对此一个可能的解释是热裂解炭黑表面的活性问题，或者是热裂炭黑的高PH值（10）阻碍了树脂在丁基橡胶中的交联。用PH值低的9# 胶料样品测得的T95证实了这一点，它的硫化时间在添加热裂解炭黑的样品中是最短的。在配方中添加更多的氯丁橡胶或者氯化亚锡可以提高硫化速率。
成本优势分析：
节约成本的计算理论上包括原材料成本、轮胎硫化时间、被迫停机检修时间和由于总产量的变化而引起的任何生产率的提高（或者降低）。
针对原材料成本，表格2显示，估算在每条硫化胶囊上可以节省大约0.94美元。这是由于使用了热裂解炭黑替代了高成本的丁基橡胶。
结论：
6# 和 8# 样品和对照胶料相比拥有最好的综合物理性能。至今看到的最主要的优越性应该是热传导率的提高和成本的降低。从以上的结果得出最终结论，很显然是延长了胶囊的寿命。
补充解释：
热传导率是根据ASTM C 518-91，Vol. 04.06测得的。Q是指测试时通过大约13毫米（0.51英寸）厚的橡胶片的热量。K 是热传导率，用BTU·英寸/（ft.2·hr.·oF）表示。一般用开尔文温度。mV是热流输出表的毫伏数。这个数值并不转变成温度。为了便于理解，这些结果是以对照胶料为基准演变出来的。BF古特里奇实验室使用了动态快速-k仪和Haskris循环制冷装置。
为了得到进一步的信息，请联系肯卡伯公司 @ 传真:1-403-529-6093，网页www.cancarb.com
表1：硫化胶囊数据
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胶料样品# |
对照胶料 #1 |
N990 #2 |
MT-GPF #3 |
MT-HAF #4 |
MT-HAF #5 |
MT-HAF #6 |
MT-HAF #7 |
MT-HAF #8 |
MT-HAF #9 |
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N330 HAF |
50 |
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30 |
20 |
40 |
40 |
40 |
20 |
N660 GPF |
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20 |
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N990 Thermax |
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110 |
90 |
80 |
90 |
40 |
50 |
60 |
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N990 UP Thermax |
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90 |
胶料样品性能（ASTM D 1646-96a） |
|||||||||
门尼粘度 |
66 |
59 |
65 |
76 |
69 |
76 |
75 |
77 |
70 |
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门尼焦烧 @ 137.8 ℃（ASTM D1646-96a） |
|||||||||
最小值 |
49 |
40 |
45 |
58 |
52 |
59 |
58 |
60 |
53 |
Tmin.+5，分钟 |
24.5 |
32.8 |
37.8 |
26.8 |
35.8 |
14.3 |
14 |
15.8 |
17.4 |
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孟山都 R100 振荡磁盘流变仪 @ 190 ℃，1oarc（ASTM D 2084-95） |
|||||||||
ML dNm |
9.9 |
7.6 |
8.7 |
10.2 |
9.9 |
11.9 |
11.3 |
11.5 |
10.2 |
MH dNm |
34.4 |
36.7 |
38.5 |
40.7 |
40.2 |
38 |
39.4 |
38.7 |
38.6 |
T (2) min. |
3.2 |
3.5 |
3.7 |
3.2 |
3.3 |
3.1 |
2.8 |
3 |
2.6 |
T (90) min. |
29.2 |
36.5 |
40.7 |
37.1 |
37.6 |
33.6 |
34.5 |
34.9 |
30.7 |
T (95) min. |
36.9 |
45.5 |
48.9 |
45.2 |
46.3 |
42.8 |
43.5 |
43.2 |
40.1 |
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应力—应变，原始的 @ 室温，硫化时间T95 @ 190 ℃（ASTM D 412-97） |
|||||||||
100%定伸定伸强度Mpa |
1.8 |
2.2 |
2.4 |
2.2 |
2.8 |
2.3 |
2.3 |
3.1 |
2.6 |
300%定伸强度Mpa |
5.5 |
5.5 |
5.7 |
6.5 |
7.9 |
7.2 |
7.6 |
8.9 |
7.9 |
拉伸强度 Mpa |
15 |
6.5 |
6.7 |
7.9 |
8.9 |
11.2 |
10.5 |
10 |
8.9 |
扯断伸长率 % |
647 |
414 |
403 |
425 |
415 |
490 |
450 |
420 |
400 |
邵氏A硬度 |
66 |
70 |
70 |
71 |
74 |
69 |
71 |
73 |
72 |
应力-应变，原始的 @ 100 ℃,硫化时间 T95 @ 190 ℃（ASTM D 412-97） |
|||||||||
100%定伸强度Mpa |
1.9 |
1.9 |
1.7 |
1.9 |
2.3 |
2.1 |
2.4 |
2.3 |
2.2 |
300%定伸强度Mpa |
5.6 |
4.2 |
3.8 |
5.2 |
6.3 |
6.1 |
7.1 |
6.5 |
-- |
拉伸强度 Mpa |
9.1 |
4.3 |
4 |
5.7 |
6.3 |
6.7 |
7.1 |
6.7 |
6 |
扯断伸长率 % |
460 |
315 |
325 |
335 |
305 |
330 |
310 |
310 |
290 |
|
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应力-应变，烘箱老化48小时 @ 170 ℃ 硫化时间 T95 @ 190 ℃（ASTM D 412-97） |
|||||||||
100%定伸强度Mpa |
4.6 |
4.4 |
4.8 |
5 |
4.9 |
4.6 |
5.3 |
5.1 |
5.2 |
200%定伸强度Mpa |
7.6 |
6.8 |
7.6 |
8.2 |
8.1 |
7.7 |
8.8 |
8.2 |
8.3 |
拉伸强度 Mpa |
10.3 |
7.5 |
8.1 |
8.7 |
9.1 |
9.4 |
6.9 |
8.9 |
8.3 |
扯断伸长率 % |
280 |
240 |
215 |
205 |
230 |
255 |
155 |
220 |
200 |
邵氏A硬度 |
90 |
96 |
94 |
94 |
93 |
90 |
90 |
93 |
91 |
|
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撕裂强度，Die C （ASTM D624-96），室温 |
|||||||||
KN / m |
38.9 |
34.0 |
33.6 |
35.1 |
33.1 |
34.5 |
33.9 |
40.7 |
32.3 |
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拉伸永久变形测试，100%伸长率，@ 200 ℃-保持10分钟（ASTM D 412-97） |
|||||||||
% 拉伸永久变形 |
13.4 |
25.0 |
27.4 |
25.9 |
20.5 |
24.1 |
26.6 |
29.3 |
26.1 |
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DeMattia 龟裂增长：23 ℃，老化7天 @ 100 ℃；平均两个试样，英寸（ASTM D813-95） |
|||||||||
5,000圈 |
2.5 |
5.0 |
6.0 |
7.0 |
3.5 |
3.5 |
6.5 |
5.5 |
5.5 |
10,000圈 |
2.5 |
5.5 |
6.5 |
7.5 |
4.5 |
5.5 |
6.5 |
6.5 |
6.5 |
15,000圈 |
3.5 |
6.5 |
7.5 |
8.5 |
5.5 |
6.5 |
7.5 |
7.0 |
7.5 |
25,000圈 |
5.0 |
8.0 |
9.0 |
10.0 |
7.0 |
7.5 |
9.0 |
7.5 |
10+ |
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热传导率，100 ℃（ASTM C 518-91） |
|||||||||
Q: 热流量，毫伏 |
3.610 |
3.953 |
4.153 |
4.200 |
4.157 |
4.095 |
4.282 |
4.440 |
4.420 |
|
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K: 热传导率 |
|||||||||
BTU in/(hr.sq.ft oF) |
0.786 |
0.844 |
0.892 |
0.900 |
0.891 |
0.856 |
0.885 |
0.910 |
0.917 |
|
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索引 |
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115 |
116 |
115 |
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