橡胶工艺原理讲稿 第三章 补强与填充体系
第三章补强与填充体系
§3-1绪论
填料是橡胶工业的主要原料之一,它能赋予橡胶许多优异的性能。例如,大幅度提高橡胶的力学性能,使橡胶具有磁性、导电性、阻燃性、彩色等特殊的性能,赋予橡胶良好的加工性能,降低成本等。
一.何谓补强与填充?
补强:在橡胶中加入一种物质后,使硫化胶的耐磨性、抗撕裂强度、拉伸强度、模量、抗溶胀性等性能获得较大提高的行为。凡具有这种作用的物质称为补强剂。
填充:在橡胶中加入一种物质后,能够提高橡胶的体积,降低橡胶制品的成本,改善加工工艺性能,而又不明显影响橡胶制品性能的行为。凡具有这种能力的物质称之为填充剂。
二.填料的分类
填料的品种繁多,分类方法不一。填料按不同方法分类如下: (1)按作用分
补强剂:炭黑、白炭黑、某些超细无机填料等。 填充剂:陶土、碳酸钙、胶粉、木粉等。 (2)按来源分
有机填充剂:炭黑、果壳粉、软木粉、木质素、煤粉、树脂等。 无机填充剂:陶土、碳酸钙、硅铝炭黑等。 (3)按形状分
粒状:炭黑及绝大多数无机填料。
纤维状:石棉、短纤维、碳纤维、金属晶须等。
三.橡胶补强与填充的历史与发展
橡胶工业中填料的历史几乎和橡胶的历史一样长。在Spanish时代亚马逊河流域的印第安人就懂得在胶乳中加入黑粉,当时可能是为了防止光老化。后来制作胶丝时曾用滑石粉作隔离剂。
在Hancock发明混炼机后,常在橡胶中加入陶土、碳酸钙等填料。
1904年,S.C.Mote用炭黑使橡胶的强度提高到28.7MPa,但当时并未引起足够的重视。在炭黑尚未成为有效补强剂前,人们用氧化锌作补强剂。一段时间后,人们才重视炭黑的补强作用。
我国是世界上生产炭黑最早的国家。1864年美国开始研制炭黑。1872年世界才实现工业规模的炭黑生产。炭黑的补强性不仅使它得到广泛的应用,而且也促进了汽车工业的发展。二战前槽黑占统治地位,50年代后用炉黑代替槽黑、灯烟炭黑,炉黑生产满足了轮胎工业发展的要求。70年代在炉黑生产工艺基础上进行改进,又出现了新工艺炭黑。这种炭黑的特点是在比表面积和传统炭黑相同的条件下,耐磨性提高了5%~20%,进一步满足了子午线轮胎的要求。
美国大陆碳公司在八十年代末开发生产出低滚动阻力炭黑,即LH10、LH20、LH30等,其拉伸和耐磨性能相当于N110、N220、N330的水平,但生热低、弹性高。
德国德固萨公司也开发出新一代低滚动阻力炭黑,称之为“转化炭黑”。牌号有EB118、EB122、EB111和EB123。特点是:物理化学性能与常规炭黑相似,但着色强度低,聚集体大小分布宽,这样不仅可以减小滚动阻力,而且不会改变其耐磨性和对湿路面的抗滑性。
据统计,1998年我国炭黑企业约80家,总的年生产能力约800kt,全国炭黑产量为570kt。1997年国外炭黑总产量为5959kt。
1939年首次生产了硅酸钙白炭黑,1950年发明了二氧化硅气相法白炭黑,近年来无机填料的发展也很快,主要表现在粒径微细化、表面活性化、结构形状多样化三方面。从填料来源看对工业
废料的综合利用加工制造填料发展也较快。
四.本章内容与要求:
1.炭黑的生产、分类与命名(了解) 2.炭黑的组成与结构(掌握) 3.炭黑的物理和化学性质(掌握) 4.炭黑对橡胶的补强作用(掌握) 5.炭黑对橡胶工艺性能的影响(掌握) 6.炭黑的补强机理(了解) 7.白炭黑的补强(掌握) 8.短纤维的补强(了解)
9.矿质填料的表面活化与偶联剂(掌握)
五.本章主要参考书:
1.橡胶化学与物理,第十章
2.ScienceandTechnologyofRubber,Chapt.8. 3.炭黑,J.B.道奈等著,王梦蛟等译,化工出版社。 4.弹性体的力学改性
§3-2炭黑的生产、分类和命名
一.炭黑的定义
炭黑是由许多烃类物质(固态、液态或气态)经不完全燃烧或裂解生成的。它主要由碳元素组成,其微晶具有准石墨结构,且呈同心取向,其粒子是近乎球形的粒子,而这些粒子大都熔结成聚
集体。
二.炭黑的分类
炭黑是橡胶工业的主要补强剂。为适应橡胶工业的发展要求,人们开发了五十余种规格牌号的炭黑。以前炭黑分类有按制法分,也有按作用分,后来发展了ASTM-1765这种新的分类方法。这种方法的出现结束了以前分类混乱、缺乏科学表征炭黑的状况,但其缺点是没有反映出炭黑的结构度。炭黑的几种分类方法分述如下。
1.按制造方法分
(1)接触法炭黑:接触法炭黑,其中包括槽法炭黑、滚筒法炭黑和圆盘法炭黑。
槽法炭黑转化率大约为5%。其特点是含氧量大(平均可达3%),呈酸性,灰分较少(一般低于0.1%)。
(2)炉法炭黑:
炉法炭黑的特点是含氧量少(约1%),呈碱性,灰分较多(一般为0.2%~0.6%),这可能是由于水冷时水中矿物质带来的。
(3)热裂法炭黑:转化率30%~47%。炭黑粒子粗大,补强性低,含氧量低(不到0.2%),含碳量达99%以上。
(4)新工艺炭黑:新工艺炭黑的聚集体较均匀,分布较窄,着色强度比传统的高十几个单位,形态较开放,表面较光滑。N375、N339、N352、N234、N299等均为新工艺炭黑。
2.按作用分:
硬质炭黑:粒径在40nm以下,补强性高的炭黑,如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。 软质炭黑:粒径在40nm以上,补强性低的炭黑,如半补强炭黑、热裂法炭黑等。
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