炭黑是橡膠工業不可缺少的原料,其用量僅次于生膠,是一種最有效的、被廣泛應用的補強劑。炭黑能改進硫化膠的性能,提高膠料的硬度、模量、斷裂能量、抗張強度、抗撕裂、耐疲勞和耐磨耗性能。炭黑的另外一大作用是有效降低橡膠制品的成本,特別是用在硅橡膠、氟橡膠和丙烯酸酯橡膠等特種橡膠制品中。對后者來說,炭黑用量越多越好,但過量的炭黑無助于增強、補強效果,反而影響制品的光潔度和拉伸性能,增加制品的加工難度,因此合理的炭黑用量是橡膠工業的研究課題。如何準確測定制品中炭黑的含量呢?本文主要介紹橡膠制品中炭黑含量的測定方法。
橡膠制品中炭黑含量測定的基本原理是通過溶劑抽提有機小分子,通過分解或降解去除高分子生膠,通過熱氧化分離無機化合物和炭黑。目前主要有硝酸氧化法、管式爐高溫熱解法、熱重分析法、微波裂解法和復分解降解法。各種方法的主要區別在如何分解或降解高分子這一過程。去除小分子和分離無機化合物這兩步基本類型。區別在于不同橡膠需要不同操作條件,如抽提時間、抽提所用溶劑的選擇、漂洗殘留物的溶劑和處理溫度等。這兩個過程請參見標準GB 7766—87和GB 3515—83。以下重點介紹不同方法中降解或分解高分子過程。
一、炭黑含量的測定
1.硝酸氧化法
基本原理:用熱的濃硝酸氧化經溶劑抽提過的試樣,然后分離出炭黑和無機化合物等難溶物,用特定溶劑沖洗難溶物直至清液透明為止,干燥后稱重,最后燃燒難溶物,燃燒后的質量損失即為炭黑質量。該方法屬于經典方法, 已成為國家標準GB7766-87,它主要適用于含雙鍵的丁二烯類不飽和橡膠;對飽和橡膠制品需要做相應變動,否則硝酸不能完全氧化降解高分子化合物。另外該方法氧化降解后的部分產物為低分子,因而與炭黑等殘留物的分離較困難,特定橡膠需要特定的清洗溶劑和清洗程序,否則誤差較大。另外測試時間也較長。
2.管式爐高溫熱解法
基本原理:首先用相應溶劑抽提試樣若干小時,然后烘干、稱重放人燃燒舟,再在氮氣下熱解高分子化合物,冷卻后取出燃燒舟稱重,然后在空氣中燃燒去除炭黑,再稱重,質量損失即為炭黑含量。該方法屬于經典方法, 已列為國家標準GB3515—83,具體操作參見標準。它適用于各種飽和及不飽和硫化橡膠,但是由于它通過熱解而去除高分子化合物,因此像丁腈橡膠和氯丁橡膠熱解會產生含炭殘余物的橡膠就不適合用該方法,同樣它要求橡膠制品中不含有在熱解時會產生殘留分的配合劑。熱分解法避免了洗滌溶劑的選擇和煩瑣的清洗過程,比硝酸氧化法省時間。