通過(guò)TGA準(zhǔn)確測(cè)量橡膠中炭黑含量

    炭黑也稱碳黑，是一種無(wú)定型碳，呈極細(xì)的黑色粉末，是含碳物質(zhì)在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或受熱分解而成。炭黑在橡膠中作為補(bǔ)強(qiáng)劑（增強(qiáng)劑/填充劑），是橡膠產(chǎn)業(yè)中的重要原料。炭黑不僅可以減少橡膠的用量還能極大的提高橡膠的機(jī)械性能和橡膠制品的壽命。準(zhǔn)確的分析和計(jì)算出橡膠中的炭黑含量對(duì)橡膠性能和加工工藝的改進(jìn)都有非常重要的意義。

       炭黑對(duì)橡膠的增強(qiáng)作用主要取決于炭黑的性質(zhì)，一般炭黑的粒徑越細(xì)，結(jié)構(gòu)性性越高，增強(qiáng)效果越好，炭黑的增強(qiáng)機(jī)理主要分為分子鏈滑動(dòng)理論、結(jié)合膠理論、填料網(wǎng)絡(luò)理論和范德華網(wǎng)絡(luò)理論等。

1.方法原理

橡膠試樣在程序升溫下，氮?dú)鈿夥障?00℃以前的失重量為可揮發(fā)性非橡膠組分含量，氮?dú)鈿夥障?00℃-550℃左右失重為沒(méi)有揮發(fā)的有機(jī)物和聚合物含量，氧化性氣氛下650℃的失重表示炭黑的含量，650℃的殘余物為無(wú)機(jī)灰分含量。

2.應(yīng)用案例解析：丁晴橡膠（NBR）中炭黑含量的測(cè)定

丁晴橡膠常用于制作密封圈、油封、O型圈、管路墊片等，具有極好的耐油性、耐磨性、耐熱性等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是耐臭氧性差、絕緣性能較差且不適宜在較低溫度下使用。

  試驗(yàn)儀器：熱失重分析儀TGA

  實(shí)驗(yàn)條件：    樣品名稱：丁晴橡膠

 溫度程序：室溫—990℃，詳見(jiàn)后文

 氣氛：N2、空氣切換

坩堝：氧化鋁坩堝

試驗(yàn)一：爐腔不抽真空，直接進(jìn)樣程序升溫

樣品量：9.6mg;

升溫程序：室溫（升溫速率10K/min,氮?dú)猓?70℃（10K/min,空氣）→990℃，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：261.5℃為揮發(fā)性有機(jī)溶劑失重14.08%（N2），416.5℃為橡膠聚合物氧化裂解失重7.98%（N2），448.9℃為橡膠聚合物氧化裂解失重20.29%（N2），600℃為聚合物裂解炭和填充炭黑緩慢氧化失重23.76%（N2），878.5℃為聚合物裂解炭和填充炭黑燃燒失重26.81%（空氣）。                  樣品重量：14.08%+7.98%+20.29%+23.76%+26.81%=92.92%,殘余質(zhì)量（灰分）為7.08%，為無(wú)機(jī)填料。

試驗(yàn)二：升溫前對(duì)爐腔進(jìn)行三次循環(huán)抽真空充氮?dú)夂?，升溫測(cè)試

樣品量：10.77mg;

升溫程序：室溫（升溫速率10K/min,氮?dú)猓?70℃（10K/min,空氣）→990℃，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：262.0℃為揮發(fā)性有機(jī)溶劑失重14.17%（N2），442.7℃為橡膠聚合物氧化裂解失重31.14%（N2），894.2℃為聚合物裂解炭和填充炭黑燃燒失重46.72%（空氣）           樣品重量：14.17%+31.14%+46.72%=92.03%，殘余質(zhì)量（灰分）為8.02%，為無(wú)機(jī)填料。

試驗(yàn)三：對(duì)爐腔進(jìn)行三次循環(huán)抽真空充氮?dú)夂螅淖兩郎爻绦蜻M(jìn)行測(cè)試

樣品量：10.30mg;

升溫程序：室溫（升溫速率10K/min,氮?dú)猓?00℃（20K/min,氮?dú)猓?00℃（10K/min,空氣）→990℃，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：263.1℃為揮發(fā)性有機(jī)溶劑失重14.25%（N2），443.5℃為橡膠聚合物氧化裂解失重31.13%（N2），486.3℃為聚合物裂解炭燃燒失重14.14%（空氣），560.9℃為填充炭黑燃燒失重33.61%（空氣）。                                                   樣品失重量：14.25%+31.13%+14.14%+33.61%=93.13%，殘余質(zhì)量（灰分）為6.93%，為無(wú)機(jī)填料。

結(jié)果分析

（1）.試驗(yàn)一未抽真空，受爐內(nèi)空氣的影響使得TGA曲線在600℃-850℃之間出現(xiàn)了一個(gè)較大的臺(tái)階，實(shí)質(zhì)為炭黑的緩慢氧化過(guò)程。通過(guò)試驗(yàn)一和試驗(yàn)二的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)殘余空氣對(duì)測(cè)試結(jié)果有較為明顯的影響，主要表現(xiàn)在①殘余空氣影響高溫下聚合物的分解，具體為Fig1中聚合物分解部分出現(xiàn)兩個(gè)峰；②殘余空氣的存在導(dǎo)致裂解炭黑和添加炭黑出現(xiàn)了緩慢氧化的過(guò)程，影響炭黑含量的準(zhǔn)確測(cè)量。

（2）.試驗(yàn)二通過(guò)抽真空和充氮?dú)獾姆椒ㄇ逑戳藸t內(nèi)氣體，除去了殘留空氣的影響，但持續(xù)的升溫沒(méi)有辦法區(qū)別出裂解炭黑和填充炭黑。

（3）.試驗(yàn)三采用升溫—降溫—升溫的方式，由于裂解炭黑的穩(wěn)定性比填充炭黑的穩(wěn)定性差，而先發(fā)生燃燒，表現(xiàn)在Fig3中炭黑燃燒的第一個(gè)臺(tái)階，而溫度較高的臺(tái)階為填充炭黑的燃燒臺(tái)階，這樣就可以有效的將裂解炭黑和填充炭黑區(qū)分開，從而得到填充炭黑的準(zhǔn)確含量。