Углеродные сажи (CB) добавляются в полимеры для: - Армирования эластомеров, что позволяет улучшить механические свойства. На протяжении многих лет шины армировались только углеродной сажей, но в настоящее время ей составляет конкуренцию осаждённый диоксид кремния.
- Световой защиты: небольшие количества позволяют остановить ультрафиолетовые лучи на поверхности, но при этом получается темно-серое или же черное окрашивание.
- Окрашивания.
- Повышения проводимости: разработаны специальные проводящие сажи для того, чтобы делать проводимыми от природы изолирующие полимеры.
Углеродные сажи могут также давать экономию затрат: - За счет уменьшения массы каучука (и затрат на него), используемого для получения тех же механических эксплуатационных характеристик.
- За счет наращивания функциональных параметров, таких как устойчивость к истиранию.
При разработке новых марок и осуществлении исследовательских работ используются три основных стратегии: - Получение усовершенствованных свойств за счет инновационных производственных технологий,
- Модификация взаимодействия с полимерной матрицей за счет обработки поверхности,
- Объединение усилий с другим армирующим наполнителем, для того, чтобы нарастить мощность действия и ослабить имеющиеся слабые стороны.
В настоящей статье рассматриваются армирующие углеродные сажи. Что такое углеродные сажи? Углеродные сажи получают при расщеплении органических материалов из нефти или газа в условиях ограниченной кислородной атмосферы. Здесь сосуществуют несколько технологий: - Печная, основывающаяся на использовании нефти. В настоящее время наиболее часто применяемая технология для армирования каучука.
- Канальный способ получения газовой сажи, основывающийся на использовании газа, который позволяет получать кислотные газовые сажи, а также сажи с медленным отверждением.
- Термическая технология, основывающаяся на использовании газа. Получаемые углеродные сажи неустойчивые или же не способные давать армирование.
- Ацетиленовая технология, основывающаяся на использовании ацетилена. Такие углеродные сажи используются для создания проводящих полимеров.
В физическом плане, углеродные сажи создаются на трех структурных уровнях: - Первичные частицы, которые характеризуются размерами от 10 до 500 нм, и которые можно измерить прямыми методами или же оценивать непрямым образом на основе измерения площади поверхности, такими методами как поглощение жидкостей или газов: CTAB, йод, азот. Каждый из таких методов позволяет получить различное значение. В отличие от индекса CTAB, с помощью измерения поглощения азота можно измерять как пористость (недоступно для каучука), так и площадь внешней поверхности. Имеющиеся в настоящее время поверхности находятся в диапазоне от 10 м2/г до 150 м2/г. Наименьший размер частиц дает наибольшую площадь поверхности, и соответствующие углеродные сажи являются наиболее армирующими, но и наиболее трудно диспергируемыми.
- Агрегаты частиц характеризуются размерами от 40 до 600 нм. Размеры и структуры агрегатов (пустоты, количество частиц) характеризуются на основе поглощения масла, в настоящее время поглощения дибутилфталата или DBP с параметрами в диапазоне от 30 до 150 см3/100 г. Каучук, который заполняет пустоты, уже не принимает активного участия в формировании его механических эксплуатационных характеристик, таких как эластичность, удлинение, остаточная деформация при сжатии...
- Агломераты агрегатов.
В Таблице 1 представлены основные свойства некоторых наиболее распространенных углеродных саж. | | Испытания | N220 | N339 | N550 | N660 | | Первичные частицы | Йодный индекс, г/кг | 121 | 90 | 43 | 36 | | | CTAB площадь поверхности, м2 | 111 | 95 | 42 | 36 | | Агрегаты | Индекс DBP, см3/100 г | 114 | 120 | 121 | 90 | Таблица 1: Примеры свойств углеродной сажи В химическом плане углеродные сажи представляют собой более или менее чистый углерод, как показано в таблице 2, с более или менее небольшим содержанием кислорода и водорода. | | Печная | Канальная | Термическая | | Углерод, % | 98 | 96 | 99 | | Кислород, % | <1 | 3 | Можно пренебречь | | Водород, % | <0.4 | 0.5 | 0.4 | | Сера, % | 0.5 - 1.8 | <0.1 | <0.05 | Таблица 2: Углеродные сажи: примеры химического анализа Система буквенно-цифровой классификации углеродных саж, используемых для армирования каучука, включает: - Одну букву для скорости вулканизации: N для нормальной и S для медленной;
- Три цифры. Первая обозначает размер частиц от 0 (1 до 10 нм) до 9 (201 до 500 нм).
Новые методы производства усовершенствованных углеродных саж. Стратегия заключается в осторожном изменении структуры для улучшения баланса между простотой обработки, армированием и другими свойствами. Далее приводятся некоторые примеры, касающиеся: - Низкогистерезисных углеродных саж;
- Низкойодистых HAF;
- Инвертированных углеродных саж.
Низкогистерезисные углеродные сажи реализуются Sid Richardson для протекторных (SR129) и не протекторных применений (SR401). В таблице 3 сопоставляются данные марки с соответствующими обычными марками. | | SR129 | N121 | N234 | | Йодный индекс, г/кг | 117 | 121 | 120 | | Маслопоглощение, куб. см/100 г | 140 | 132 | 125 | | N2SA, м2/г | 112 | 122 | 119 | | | SR401 | N330 | N550 | | Йодный индекс, г/кг | 58 | 82 | 43 | | Маслопоглощение куб. см/100 г | 170 | 102 | 121 | | N2SA, м2/г | 62 | 79 | 41 | Таблица 3: Примеры свойств углеродной сажи Как можно видеть из приведенных ниже рисунков 'Свойства 129-CB' и 'Свойства 401-CB', армированные эластомерные компаунды характеризуются более высокими значениями модуля и твердости, более низким гистерезисом и тепловыделением, более простым смешиванием и хорошей способностью поддаваться обработке. Рисунок 1: Свойства 129-CB  Рисунок 2: Свойства 401-CB Низкойодистая износостойкая печная сажа (HAF) предлагается Hi-Tech Carbon Здесь ставится задача получения частиц меньшего размера по сравнению с обычной HAF, но более грубых, чем у N660, с умеренным армированием по сравнению с N660, маркой, которая обычно используется для изготовления каркасов шин. В таблице 4 сопоставляются некоторые свойства экспериментальных HAF, обычной HAF и N660. | | Экспериментальные HAF | Обычная HAF | N660 | | Йодный индекс, г/кг | 58 - 76 | 84 | 36 | | N2SA, м/г | 70 - 77 | 78 | 36 | | DBPA, куб. см/100 г | 102 | 102 | 90 | | CTAB площадь поверхности, м2/г | 62 - 70 | 77 | 34 | Таблица 4: Примеры свойств углеродной сажи Здесь существенно улучшено сопротивление подвулканизации и поведение при отверждении, что позволяет получить более высокую производительность. Модули здесь выше, а устойчивость к усталости при многократных деформациях лучше, но тепловыделение несколько выше. Улучшено также сохранение свойств после старения. Инвертированные углеродные сажи Degussa предлагает углеродные сажи, произведенные с помощью модифицированной печной технологии: инвертированные углеродные сажи. По сравнению с соответствующей традиционной углеродной сажей того же типа в компаунде SBR/BR (см. рисунок 'Магический треугольник для инвертированных и традиционных углеродных саж'): - сопротивление качению шины улучшено на несколько процентов;
- устойчивость к истиранию улучшена на несколько процентов;
- сопротивление проскальзыванию на мокрой дороге осталось неизменным.
 Рисунок 3: Магический треугольник для инвертированных и традиционных углеродных саж |
