利用功能性白炭黑提高轮胎的生产率和性能

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1、利 用 功 能 性 白 炭 黑 提 高 轮 胎 的 生 产 率 和 性 能 朱 永 康 编 译摘 要 : 通 过 巯 基 有 机 金 属 改 善 偶 联 效 率 和 聚 合 物 填 充 剂 相 互 作 用 ， 并 通 过 提 高 A 400G 白 炭 黑 亲 有 机 物 质 特 性 赋 予共 价 键 间 的 恰 当 结 合 以 及 与 非 极 性 或 低 极 性 烃 聚 合 物 的 物 理 相 互 作 用 可 提 供 更 好 的 耐 磨 性 。 通 过 配 合 剂 并 用 来 生 产 这 种 特殊 填 充 剂 可 以 有 效 地 减 少 影 响 较 低 应 变 ( 即 填 充 剂 填 充 剂

2、相 互 作 用 ) 的 键 合 ， 同 时 又 可 保 持 形 成 影 响 较 高 应 变 ( 即 聚 合 物 填 充 剂 间 相 互 作 用 ) 的 键 合 的 能 力 。 两 种 相 互 作 用 的 结 合 提 供 了 适 当 的 滞 后 响 应 ， 可 以 提 高 牵 引 性 和 降 低 滚 动 阻 力 。关 键 词 : 功 能 性 A 400G 白 炭 黑 ; 胎 面 胶 配 方 ; 生 产 率 ; 性 能汽 车 的 燃 油 消 耗 与 克 服 轮 胎 的 滚 动 阻 力 有 部分 关 系 ， 而 克 服 滚 动 阻 力 所 消 耗 的 车 辆 可 用 功 率 多 达 三 分 之 一

3、， 这 意 味 着 单 是 轮 胎 就 占 了 车 辆 油 耗 的 20% 30% 。 与 这 种 消 耗 相 伴 而 来 的 是 付 出 了 环 境 代 价 。 由 此 产 生 的 与 全 球 气 候 变 暖 相 关 的 温 室 气 体 ( GHG) ， 是 人 为 排 放 的 二 氧 化 碳 的 最 大 单 一 来 源 它 相 当 于 人 类 产 生 的 温 室 气 体 的 60% 左 右 。 车 辆 所 造 成 的 污 染 多 达 25% 来 自 于 克 服 车 辆 轮 胎 的 滚 动 阻 力 。 根 据 美 国 环 境 保 护 署( EPA) 的 资 料 ， 燃 油 效 率 较 高 的

4、 车 辆 可 以 减 少 使 全 球 气 候 变 暖 的 污 染 。 提 高 燃 油 效 率 从 而 减 少 相 关 的 温 室 气 体 ， 是 最 近 一 些 国 家 立 法 和 国 际 立 法 活 动 的 目 的 ( 图 1 和 图 2) 。 轮 胎 的 性 能 对 于 安 全也 有 直 接 的 影 响 。 每 年 发 生 的 车 祸 中 起 因 于 恶 劣天 气 的 占 了 大 约 25% ， 与 天 气 有 关 的 车 祸 事 故 几 乎 80% 发 生 在 湿 滑 路 面 上 。图 2 乘 用 车 辆 温 室 气 体 排 放 : 车 队 平 均 性 能 和标 准 ( 按 国 家 /

5、地 区 )早 在 1976 年 就 有 文 献 报 道 称 ， 在 含 SBR 和BR 聚 合 物 的 乘 用 轮 胎 胎 面 胶 料 中 使 用 无 定 形 沉 淀 法 白 炭 黑 与 硅 烷 偶 联 剂 组 合 好 处 多 多 。 业 已 表明 ， 用 沉 淀 法 白 炭 黑 替 换 乘 用 轮 胎 胎 面 胶 料 中 的 大 部 分 补 强 填 充 剂 ， 并 与 适 当 的 硅 烷 和 聚 合 物 相 组 合 ， 可 以 使 滚 动 阻 力 降 低 30% 之 多 。 这 种 滚 动 阻 力 的 降 低 又 转 化 为 燃 油 效 率 提 高 6% 。 如 果 应 用 于 美 国 的

6、乘 用 轮 胎 市 场 ， 则 可 能 会 导 致 每 年 减 少 多 达 80 亿 加 仑 的 燃 油 消 耗 ， 二 氧 化 碳 排 放 量 降图 1 乘 用 车 辆 燃 油 经 济 性 : 车 队 平 均 性 能 和标 准 ( 按 国 家 / 地 区 )22 现 代 橡 胶 技 术 2012 年 第 38 卷低 达 4 500 万 吨 之 多 。 除 提 高 燃 油 经 济 性 和 减 少对 环 境 的 排 污 量 外 ， 轮 胎 胎 面 胶 中 使 用 白 炭 黑 还 能 显 著 改 善 在 各 种 恶 劣 的 天 气 条 件 下 ( 包 括 冬 季 风 暴 天 气 和 雨 天 ) 的

7、 操 纵 性 和 转 向 能 力 。 具 体 地 说 ， 含 白 炭 黑 的 轮 胎 胎 面 已 被 证 明 可 提 高 湿 路 面 抓 着 力 ( 即 抗 湿 滑 力 ) 高 达 15% 。 这 对 驾 驶 员 在 恶 劣 天 气 条 件 下 控 制 刹 车 、 转 弯 和 操 纵 车 辆 是 至 关 重 要 的 。 含 白 炭 黑 的 胎 面 还 被 证 明 可 改 善 结 冰 路 面 上 的 牵 引 性 。自 二 十 世 纪 90 年 代 初 以 来 ， 由 于 滚 动 阻 力 、 牵 引 力 和 胎 面 耐 磨 性 的 所 谓 “ 魔 幻 三 角 ” 关 系 的 改 善 ， 乘 用 轮

8、 胎 胎 面 胶 使 用 无 定 形 沉 淀 法 白 炭 黑 与 适 当 的 硅 烷 和 聚 合 物 相 组 合 的 做 法 显 著 增 多 。 在 这 段 时 期 开 发 出 的 无 定 形 沉 淀 法 白 炭 黑 被 称 为 “ 高 分 散 性 白 炭 黑 ” ( HDS) 。 此 类 白 炭 黑 通 常 归 类 为 在 给 定 剪 切 条 件 下 被 粉 碎 为 更 细 粒 度 的 白 炭 黑 。 通 过 改 善 分 散 性 ， HDS 产 品 可 以 提 高 橡 胶 胶 料 的 性 能 。然 而 ， 随 着 燃 油 价 格 的 不 断 上 涨 、 国 家 和 国 际 立 法 范 围 的

9、 扩 大 以 及 公 众 关 注 度 的 提 高 ， 致 使 汽 车 行 业 对 乘 用 轮 胎 和 载 重 轮 胎 产 生 了 更 多 的 性 能 需 求 。 这 些 需 求 要 求 进 一 步 解 决 “ 魔 幻 三 角 ” 关 系 问 题 ， 如 此 就 超 出 了 现 有 传 统 HDS / 硅 烷 体 系 所 提 供 的 优 势 。 最 近 ， 美 国 PPG 工 业 公 司 发 布 了 一 项 新 技 术 ， 其 所 生 产 的 Agilon 功 能 性 白 炭 黑 ( Agilon Performance Silica) 利 用 核 心 沉 淀 法 白 炭 黑 粒 子 与 由 偶

10、 联 剂 和 非 偶 联 剂 构 成 的 有 效 有 机 表 面 适 当 结 合 ， 能 够 在 以 烃 类 聚 合 物 为 基 料 的 胶 料 内 恰 到 好 处 地 改 善 填 充 剂 填 充 剂 相 互 作 用 和 聚 合 物 填 充 剂 相 互 作 用 ， 从 而 使 这 种 “ 魔 幻 三 角 ” 矛 盾 得 到 进 一 步 的 改 善 。 在 获 得 这 些 性 能 优 势 的 同 时 ， 也 解 决 了 现 有 的 传 统 HDS / 硅 烷 添 加 技 术 在 制 造 方 面 遇 到 的 挑 战 。Agilon 400 功 能 性 白 炭 黑 是 从 这 个 新 的 技 术 平

11、 台 实 现 商 业 化 的 一 种 特 殊 填 充 剂 。 新 的 技 术 平 台 包 含 了 巯 基 有 机 金 属 硅 烷 偶 联 剂 和 非 偶 联 剂 的 特 定 组 合 。 早 先 报 告 的 结 果 显 示 ， 通 过 巯 基 有 机 金 属 改 善 偶 联 效 率 、 聚 合 物 填 充 剂 相 互 作 用 ， 并 通 过 提 高 A 400G 白 炭 黑 亲 有 机 物 质 特 性 赋 予聚 合 物 的 物 理 相 互 作 用 可 提 供 更 好 的 耐 磨 性 。 通过 配 合 剂 并 用 来 生 产 这 种 特 殊 填 充 剂 可 以 有 效 地 减 少 影 响 较 低

12、应 变 ( 即 填 充 剂 填 充 剂 相 互 作 用 ) 的 键 合 ， 同 时 又 可 保 持 形 成 影 响 较 高 应 变 ( 即 聚 合 物 填 充 剂 间 相 互 作 用 ) 的 键 合 的 能 力 。 两 种 相 互 作 用 的 结 合 提 供 了 适 当 的 滞 后 响 应 ， 可 以 提 高 牵 引 性 和 降 低 滚 动 阻 力 。不 过 ， 在 使 用 这 种 新 的 高 性 能 填 充 剂 时 ， 需 要 对 配 合 量 和 硫 化 组 合 进 行 适 当 的 调 整 。 本 文 报 导 的 调 整 将 考 虑 到 骨 架 密 度 的 变 化 ， 填 充 剂 表 面 的

13、 极 性 显 著 降 低 ， 以 及 对 硫 黄 用 量 显 著 减 少 所 进 行 的 补 偿 ， 因 而 不 再 需 要 现 有 传 统 体 系 中 所 使 用 的 硅 烷 。 另 外 ， 本 文 还 报 道 了 对 硫 化 交 联 键 种 类 的 积 极 作 用 。 文 中 还 将 论 及 Agilon 400G 功 能 性 白 炭 黑 所 带 来 的 生 产 率 的 明 显 提 升 。1 试 验在 本 文 中 讨 论 的 Agilon 400 功 能 性 白 炭 黑 的标 准 CTAB 表 面 积 为 130m2 / g， 碳 含 量 为 4 0wt% ，硫 醇 含 量 为 0 5wt

14、% 。 这 种 专 利 产 品 是 由 PPG 公司 采 用 以 下 工 艺 生 产 的 :可 溶 性 金 属 硅 酸 盐 水 溶 液 与 酸 混 合 而 形 成 白 炭 黑 粒 子 浆 料 。 在 生 产 过 程 中 ， 用 巯 基 有 机 金 属 与 一 种 或 多 种 非 偶 联 剂 并 用 对 这 些 粒 子 的 表 面 进 行 处 理 。 非 偶 联 剂 包 括 阴 离 子 、 非 离 子 和 / 或 两 性 表 面 活 性 剂 和 / 或 无 硫 有 机 金 属 的 混 合 物 。 由 此 产 生 了 经 表 面 处 理 的 白 炭 黑 粒 子 浆 料 ， 采 用 传 统 技 术

15、对 其 进 行 过 滤 、 洗 涤 、 干 燥 和 造 粒 。 这 里 讨 论 的 典 型 的 传 统 高 分 散 性 白 炭 黑 ( HDS) 以 CTAB 表 面 积 范 围 在 150 160m2 / g 的 商 业 化 产 品 为 代 表 ， 特 别 与 Hi Sil HDP 320G 进 行 了 比 较 ， 此 种 白 炭 黑 是 北 美 洲 轮 胎 制 造 业 使 用 的 主 要 HDS 产 品 。CTAB( 十 六 烷 基 三 甲 基 溴 化 铵 ) 比 表 面 积 依 据 ASTM D6845 02 测 定 。 碳 含 量 按 照 经 改 进 的经 典 普 雷 加 尔 杜 马 斯 法 ( Pregal Dumas meth-od) 进 行 测 定 。 硫 醇 含 量 的 测 定 采 用 回 滴 定 法 ， 该方 法 使 用 了 过 量 0 1N 碘 溶 液 与 标 准 0 05N 硫 代硫 酸 钠 并 用 。 详 细 的 测 试 方 法 以 前 曾 有 文 献 报导 。共 价 键 间 的 恰 当 结 合 以 及 与 非 极 性 或 低 极 性 烃 类23第 2 期 朱 永 康