第三章 补强与填充体系Word文档格式.docx
- 文档编号:15320763
- 上传时间:2022-10-29
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:210.32KB
第三章 补强与填充体系Word文档格式.docx
《第三章 补强与填充体系Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第三章 补强与填充体系Word文档格式.docx(31页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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。
这种分类方法比较粗略,主要是根据炭黑的性质及对橡胶的补强效果来分类命名的。
3.按ASTM标准分类
我国在80年代开始采用美国ASTM-1765-81分类命名法。
该命名法由四个字组成,第一个符号为N或S,代表硫化速度。
其中N表示正常硫化速度;
而S表示硫化速度慢。
N及S符号后有三个数,第一位数表示炭黑的平均粒径范围;
第二位和第三位数无明确意义,代表各系列中不同牌号间的区别。
其粒径按电镜法测得的数据划分为10个范围,橡胶用炭黑粒径范围在11-500nm之间,表3-2是橡胶用炭黑的分类命名。
表3-2橡胶用炭黑粒径分类
ASTM
系列
粒径范围
nm
典型炭黑品种
ASTM名称
英文缩写
中文名称
1~10
N100
11~19
N110
SAF
超耐磨炉黑
N200
20~25
N220
ISAF
中超耐磨炉黑
N300
26~30
N330
HAF
高耐磨炉黑
N400
31~39
N472
XCF
特导电炉黑
N500
40~48
N550
FEF
快压出炉黑
N600
49~60
N660
GPF
通用炉黑
N700
61~100
N765
SRF-HS
高结构半补强炉黑
N800
101~200
N880
FT
细粒子热裂法炭黑
N900
201~500
N990
MT
中粒子热裂法炭黑
S200
S212
ISAF-LS-SC
代槽炉黑(中超耐磨炉黑型)
S300
S315
HAF-LS-SC
代槽炉黑(超耐磨炉黑型)
3-3炭黑的性质
炭黑的粒径(或比表面积)、结构性和表面活性,一般认为是炭黑的三大基本性质,通常称为补强三要素
一.炭黑的粒径或比表面积
1.炭黑的粒径及分布
炭黑的粒径是指单颗炭黑或聚集体中粒子的粒径大小,单位常为nm。
通常用平均粒径来表示炭黑的粒子大小,炭黑工业常用的平均粒径有算术平均粒径和表面平均粒径两种。
算术平均粒径,是一种最常用的平均粒径:
(3-1)
表面平均直径有时也称为几何平均直径,它的定义如下:
(3-2)
表面平均直径常大于算术平均直径,它与粒径分布大小有关,故可用/的比值判断炭黑粒径的分散程度,比值越小,粒径分布越窄,反之则越宽。
粒径分散程度对补强作用有一定影响,一般希望分布窄些好。
2.炭黑的比表面积及空隙度
(1)比表面积
炭黑表面积是指单位质量或单位体积(真实体积)中炭黑粒子的总表面积,单位为m2/g或m2/cm3。
炭黑的比表面积有外表面积(光滑表面)、内表面积(孔隙表面积)和总表面积(外表面积和内表面积之和)之分。
设S为单位质量炭黑的比表面积(m2/g),ρ为密度(g/cm3)。
对于球形粒子,则S与有下列关系:
(3-3)
(2)空隙度(表面粗糙程度)
表面粗糙度是指炭黑粒子在形成过程中,因粒子表面发生氧化侵蚀所形成的孔洞的多少,即氧化程度。
这是由于碳氢化合物高温燃烧裂解时,炭黑成粒过程伴随有剧烈氧化作用所致。
炭黑粒子的表面粗糙度可用表面粗糙度系数K来表征,即用BET法测得的总比表面积与用CTAB法测得的外比表面积之比值。
3.比表面积的测定方法
(1)用电子显微镜测定贪黑的粒径及比表面积
(2)BET法测定炭黑的比表面积
(3)碘吸附测定比表面积
(4)大分子表面活性剂吸附法测比表面积
(5)测定炭黑比表面积的其它方法
二.炭黑的结构
(一)炭黑的微观结构
1.石墨的微观结构
炭黑的微晶结构属于石墨晶类型,石墨晶格中碳原子有很小的对称结构。
2.炭黑的微观结构
炭黑是准石墨晶体,所以不象石墨晶体那样整齐排列,且晶体中平行层面间距稍大于石墨晶体,层面间距C为7.0Å
左右(石墨晶体的C为6.70Å
,C值是两倍层面间距)。
各层面有不规则排列。
3~5个层面组成一个微晶体。
3.炭黑的石墨化
尽管炭黑聚集体是准石墨晶体,但它的结晶很不完整,晶体小,缺陷多,甚至有的炭黑中还有单个层面及无定形碳存在。
与石墨相比,炭黑平行层面间的距离较大,且排列不规整,将炭黑在没有氧的情况下加热到1000℃以上,则炭黑微晶尺寸会逐渐增加,而层面距离则减小,即提高了微晶结构的规整性。
当温度升高至2700℃时,炭黑则转变成石墨。
炭黑石墨化之后,粒子直径和结构形态无大变化,只是微晶的尺寸变大,化学活性下降,与橡胶的结合能力下降,补强能力下降。
(二)炭黑的结构度
炭黑的结构度是指炭黑链枝结构的发达程度。
炭黑的结构性通常是指炭黑的一次结构,但也含二次结构的问题。
1.炭黑的一次结构
炭黑的一次结构就是聚集体,又称为基本聚熔体或原生结构,它是炭黑的最小结构单元。
通过电子显微镜可以观察到这种结构。
这种结构在橡胶的混炼及加工过程中,除小部分外,大部分被保留,所以可视其为在橡胶中最小的分散单位,所以又称为炭黑的稳定结构。
这种一次结构对橡胶的补强及工艺性能有着本质的影响。
2.炭黑的二次结构
炭黑的二次结构又称为附聚体、凝聚体或次生结构,它是炭黑聚集体间以范德华力相互聚集形成的空间网状结构,这种结构不太牢固,在与橡胶混炼时易被碾压粉碎称为聚集体。
炭黑的结构性与炭黑的品种及生产方法有关,采用高芳香烃油类生产的高耐磨炉黑,有较高的结构性;
瓦斯槽黑只有2~3个粒子熔聚在一起;
而热裂法炭黑几乎没有熔聚现象,其粒子呈单个状态存在。
所以一般将炭黑结构性分为低结构、正常结构和高结构三种。
根据石墨结晶模型来描述炭黑的结构,聚集体的结构层次为:
元素碳→碳核(六边形)→多核层面→炭黑微晶→炭黑粒子→炭黑的一次结构(聚集体)
3.炭黑结构度的测定方法
炭黑结构的测定方法有多种,如电镜法及图象分析法、吸油值法、视比容法及水银压入法等。
(1)视比容法(压缩法)
(2)DBP吸油值法
a.手工法
b.吸油计测定法(压缩DBP吸油值法)
工业上广泛采用的是吸油值法即用邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的吸收值来表征炭黑的结构,DBP吸油值法是以单位质量炭黑吸收邻苯二甲酸二丁酯的体积表示,该测定方法标准为GB3780.2或GB3780.4。
通常DBP值越高,即炭黑的结构性越高。
一般高结构炭黑DBP吸油值大于120cm3/100g,低结构炭黑低于80cm3/100g。
三.炭黑的表面性质
炭黑粒子表面化学性质与炭黑的化学组成和炭黑粒子的表面
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第三章 补强与填充体系 第三 填充 体系
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)