Вуглецеві сажі мають життєво важливе значення для каучукової галузі, і вони приносять велику користь в пластмасовій промисловості. Їх універсальність дозволяє вибірково покращувати вибрані властивості відповідно до точної функціональністю деталей.
Вуглецеві сажі (CB) додаються в полімери для:
• Армування еластомерів, що дозволяє поліпшити механічні властивості. Протягом багатьох років шини армовані тільки вуглецевою сажею, але в даний час їй складає конкуренцію обложеного діоксид кремнію.
• Світловий захисту: невеликі кількості дозволяють зупинити ультрафіолетові промені на поверхні, але при цьому виходить темно-сіре або ж чорне забарвлення.
• Підвищення провідності: розроблені спеціальні проводять сажі для того, щоб робити проведеними від природи ізолюючі полімери.
Вуглецеві сажі можуть також давати економію витрат:
• За рахунок зменшення маси каучуку (і витрат на нього), що використовується для отримання тих же механічних експлуатаційних характеристик.
• За рахунок нарощування функціональних параметрів, таких як стійкість до стирання.
При розробці нових марок і здійсненні дослідницьких робіт використовуються три основні стратегії:
• Отримання вдосконалених властивостей за рахунок інноваційних виробничих технологій,
• Модифікація взаємодії з полімерною матрицею за рахунок обробки поверхні,
• Об'єднання зусиль з іншим армирующим наповнювачем, для того, щоб наростити потужність дії і послабити наявні слабкі сторони.
У цій статті розглядаються армирующие вуглецеві сажі.
Що таке вуглецеві сажі?
Вуглецеві сажі отримують при розщепленні органічних матеріалів з нафти або газу в умовах обмеженої кисневої атмосфери. Тут співіснують кілька технологій:
• Грубна, яка грунтується на використанні нафти. В даний час найбільш часто застосовувана технологія для армування каучуку.
• Канальний спосіб отримання газової сажі, що грунтується на використанні газу, який дозволяє отримувати кислотні газові сажі, а також сажі з повільним затвердінням.
• Термічна технологія, яка грунтується на використанні газу. Отримувані вуглецеві сажі нестійкі або ж не здатні давати армування.
• Ацетиленовий технологія, яка грунтується на використанні ацетилену. Такі вуглецеві сажі використовуються для створення провідних полімерів.
У фізичному плані, вуглецеві сажі створюються на трьох структурних рівнях:
• Первинні частинки, які характеризуються розмірами від 10 до 500 нм, і які можна виміряти прямими методами або ж оцінювати непрямим чином на основі вимірювання площі поверхні, такими методами як поглинання рідин або газів: CTAB, йод, азот. Кожен з таких методів дозволяє отримати різне значення. На відміну від індексу CTAB, за допомогою вимірювання поглинання азоту можна вимірювати як пористість (недоступно для каучуку), так і площа зовнішньої поверхні. Наявні в даний час поверхні знаходяться в діапазоні від 10 м2 / г до 150 м2 / г. Найменший розмір часток дає найбільшу площу поверхні, і відповідні вуглецеві сажі є найбільш армирующими, але і найбільш важко Диспергованість.
• Агрегати частинок характеризуються розмірами від 40 до 600 нм. Розміри і структури агрегатів (порожнечі, кількість частинок) характеризуються на основі поглинання олії, в даний час поглинання дибутилфталата або DBP з параметрами в діапазоні від 30 до 150 см3 / 100 г. Каучук, який заповнює порожнечі, вже не бере активної участі у формуванні його механічних експлуатаційних характеристик, таких як еластичність, подовження, залишкова деформація при стисненні.
У Таблиці 1 представлені основні властивості деяких найбільш поширених вуглецевих саж.
Таблиця 3. Приклади властивостей вуглецевої сажі
Як можна бачити з наведених нижче малюнків 'Властивості 129-CB' і 'Властивості 401-CB', армовані еластомерні компаунди характеризуються більш високими значеннями модуля і твердості, більш низьким гістерезисом і виділенням тепла, більш простим змішуванням і хорошою здатністю піддаватися обробці.
Нізкойодістая зносостійка пічна сажа (HAF) пропонується Hi-Tech Carbon
Тут ставиться завдання отримання частинок меншого розміру в порівнянні зі звичайною HAF, але більш грубих, ніж у N660, з помірним армуванням порівняно з N660, маркою, яка зазвичай використовується для виготовлення каркасів шин. У таблиці 4 зіставляються деякі властивості експериментальних HAF, звичайної HAF і N660.
Таблиця 4. Приклади властивостей вуглецевої сажі
Тут істотно покращено опір подвулканізаціі і поведінку при затвердінні, що дозволяє отримати більш високу продуктивність.
Модулі тут вище, а стійкість до втоми при багаторазових деформаціях краще, але тепловиділення трохи вище. Покращено також збереження властивостей після старіння.
Інвертовані вуглецеві сажі Degussa пропонує вуглецеві сажі, вироблені за допомогою модифікованої пічної технології: інвертовані вуглецеві сажі. Порівняно з відповідною традиційної вуглецевою сажею того ж типу в компаунді SBR / BR (див. Малюнок 'Магічний трикутник для інвертованих і традиційних вуглецевих саж'):
• опір коченню шини покращено на кілька відсотків;
• стійкість до стирання поліпшена на кілька відсотків;
• опір прослизанню на мокрій дорозі залишилося незмінним.
Малюнок 3. Магічний трикутник для інвертованих і традиційних вуглецевих саж
Поліпшення взаємодії між вуглецевими сажами і еластомерами
Існує два основних способи:
• виробництво високодіспергірованних маткових сумішей вуглецевих саж, які максимально використовують наявні хімічні місця розміщення;
• модифікація поверхні вуглецевої сажі для створення нових хімічних місць розміщення для з'єднання частинок і полімерів.
Композити з каучуку / наповнювача або RFC пропонуються компанією Degussa, вони створюють можливість більш швидкісного змішування партіями і більш широкого використання безперервного змішування.
Таблиця 5 показує наявність істотного поліпшення властивостей в області вулканізованої гуми і пружної гуми, що підтверджує ефективність взаємодії між каучуком і вуглецевою сажею. На кінцеві властивості не виявляється ніякого істотного впливу.
Таблиця 5. Зіставлення властивостей порошку і еластомерів, армованих вуглецевою сажею RFC
Вкрита каучуком вуглецева сажа або RCCB розробляється Малайзійський Радою з каучуку для полегшення простоти обробки, як показано в наведеному нижче порівнянні між RCBB і звичайної вуглецевою сажею для певної рецептури:
• В'язкість по Муні знижена з 72 до 55
• Час обгорання зменшено з 19 до 11.
І саме чудове: T90 знижено на 22%, що дозволяє підвищити продуктивність.
Виробництво високодіспергірованних маткових сумішей вуглецевої сажі за допомогою вологої дисперсії в латексі. Cabot виробляє 'Еластомірні композити Cabot або CEC' за допомогою безперервного змішування рідкої фази полужидкой маси вуглецевої сажі і латексу, коагуляції, видалення води і висушування. Високий ступінь дисперсності полегшує компаундує і покращує основні властивості. Порівнюючи той же тип вуглецевої сажі з тієї ж рецептурою:
• Стійкість до стирання можна підвищити на 20%;
• Тангенс при 60 ° C зменшується на 20%, що забезпечує більш високий опір коченню шини;
• Гнучкість підвищується приблизно на 10%.
Модифікація поверхні вуглецевих саж
Багато дослідні роботи присвячені фізичної і хімічної обробки поверхні вуглецевої сажі, наприклад:
• Прищеплена сополимеризация малеїнового ангідриду на вуглецеву сажу для підвищення адгезії компаунда натурального каучуку до поліамідної корду.
• Модифікація вуглецевої сажі за рахунок полімеризації прямо на місці метіланінліна мокрим або сухим способом.
• Модифікація вуглецевої сажі за рахунок полімеризації прямо на місці поліанінліна мокрим способом.
• Модифікація вуглецевої сажі хінони, хіноніміном або хінондііміном.
• Модифікація вуглецевої сажі за допомогою обробки амінопропілтріетоксісіланом і формамідом.
• Обробка в високочастотної плазмі в присутності бутадієну, ацетилену і акрилової кислоти.
Коли вуглецева сажа діє спільно з іншими високотехнологічними наповнювачами
Подібно до інших хімічних речовин, вуглецеві сажі мають і достоїнствами, і недоліками. Дуже вигідно поєднувати їх з іншими армирующими наповнювачами, переваги яких здатні компенсувати недоліки вуглецевої сажі.
Поєднання вуглецевої сажі і наногліни
Чотири частини наногліни більш-менш впливають на механічні властивості еластомерів, армованих вуглецевою сажею, як можна бачити на наведеному нижче малюнку 'Вплив наногліни на вуглецеву сажу', на якому представлений один і той же каучук, армований в різного ступеня різними марками вуглецевої сажі. У тому, що стосується розглянутих властивостей і рецептур, отримані переваги можуть бути, очевидно, і такими, якими можна знехтувати, і високими - до 68%. Насправді, ніколи не можна нехтувати отриманими перевагами, оскільки тут одночасно поліпшуються три властивості. Незвично те, що одночасно підвищуються параметри міцності на розрив і подовження при розриві.
Малюнок 3: Вплив наногліни на вуглецеву сажу
Тонкий коктейль з вуглецевої сажі і двоокису кремнію
Завдяки власній технології, розробленої Cabot, поверхні вуглецевих саж з CSDPF (двофазними наповнювачами з вуглецю і двоокису кремнію) модифікуються за допомогою різних невеликих концентрацій двоокису кремнію, наприклад, від 8 до 20% (від 4 до 10% силікону).
Таке поєднання дозволяє модифікувати взаємодії між наповнювачем / наповнювачем, полімером / наповнювачем і добавками / наповнювачем.
У таблиці 6 зіставляються деякі приклади властивостей CSDPF з властивостями двоокису кремнію і різних вуглецевих саж. Ці дані можна узагальнити у вигляді правил.
Стійкість до стирання (див. Малюнок - 'Стійкість до стирання в залежності від наповнювача') має проміжне значення для компаунда CSDPF: краще, ніж у двоокису кремнію, але гірше, ніж у вуглецевої сажі.
Малюнок 4: Стійкість до стирання в залежності від наповнювача
Вплив CSDPF і двоокису кремнію на динамічно вимірюваний тангенс дельта при низькому натягу і частоті в 10 Гц залежить від температури випробувань. Для отримання простих результатів в першому наближенні, ми збережемо ті ж дані для компаундів, армованих двоокисом кремнію і CSDPF. Ми можемо бачити (див. Таблицю 8) істотно більш високе значення тангенса при низькій температурі, що дозволяє очікувати підвищення опору прослизанню на мокрій дорозі і дуже низького значення при 70 ° C, а також хорошого опору коченню шини.
Вуглецева сажа основа 100
CSDP. пов'язані з вуглецевою сажею як основою 100
Таблиця 8. Приклади тангенса для компаунда SBR / BR, використовуваного для шин легкового автомобіля
Опір прослизанню на мокрій дорозі у компаунда з CSDPF також підвищується в порівнянні зі складом з вуглецевою сажею, що призводить в результаті до створення цікавого компромісу між стійкістю до стирання / опором коченню шин / опором прослизанню на мокрій дорозі; причому це співвідношення краще, ніж при використанні двоокису кремнію, і менш затратно.
Вуглецеві сажі мають життєво важливе значення для каучукової галузі, і вони приносять велику користь в пластмасовій промисловості. Їх універсальність дозволяє вибірково покращувати вибрані властивості відповідно до точної функціональністю деталей.
Для того щоб домогтися відповідності найвищим вимогам, підвищити продуктивність, а також заощадити витрати, на ринок впроваджуються нові або модифіковані марки, і здійснюється безперервна дослідницька робота, яка призводить до появи інноваційних розробок відповідно до трьох використовуваними стратегіями:
• Отримання вдосконалених властивостей за рахунок нових виробничих технологій,
• Модифікація взаємодії з полімерною матрицею за рахунок обробки поверхні,
• Об'єднання зусиль з іншим армирующим наповнювачем, для того, щоб наростати потужність дії і послабити наявні слабкі сторони.
Поряд з використанням нізкогістерезісних вуглецевих саж, нізкойодістих зносостійких пічних саж і інвертованих вуглецевих саж, можна поліпшити взаємодію між вуглецевими сажами і еластомерами за допомогою застосування високодіспергірованних маткових сумішей вуглецевих саж або модифікацій поверхні вуглецевої сажі для створення хімічних місць розміщення для поліпшення зв'язування частинок і полімерів.
Наногліна і двоокис кремнію часто складають конкуренцію вуглецевим Сажама, але вони також можуть утворювати з ними союзи для об'єднання зусиль і зменшення впливу своїх недоліків.