通過TGA準確測量橡膠中炭黑含量

通過TGA準確測量橡膠中炭黑含量

    炭黑也稱碳黑，是一種無定型碳，呈極細的黑色粉末，是含碳物質在空氣不足的條件下經不完全燃燒或受熱分解而成。炭黑在橡膠中作為補強劑（增強劑/填充劑），是橡膠產業中的重要原料。炭黑不僅可以減少橡膠的用量還能極大的提高橡膠的機械性能和橡膠製品的壽命。準確的分析和計算出橡膠中的炭黑含量對橡膠性能和加工工藝的改進都有非常重要的意義。

       炭黑對橡膠的增強作用主要取決於炭黑的性質，一般炭黑的粒徑越細，結構性性越高，增強效果越好，炭黑的增強機理主要分為分子鏈滑動理論、結合膠理論、填料網絡理論和範德華網絡理論等。

1.方法原理

橡膠試樣在程序升溫下，氮氣氣氛下300℃以前的失重量為可揮發性非橡膠組分含量，氮氣氣氛下300℃-550℃左右失重為沒有揮發的有機物和聚合物含量，氧化性氣氛下650℃的失重表示炭黑的含量，650℃的殘餘物為無機灰分含量。

2.應用案例解析：丁晴橡膠（NBR）中炭黑含量的測定

丁晴橡膠常用於製作密封圈、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，缺點是耐臭氧性差、絕緣性能較差且不適宜在較低溫度下使用。

  試驗儀器：熱失重分析儀TGA

  實驗條件：    樣品名稱：丁晴橡膠

 溫度程序：室溫—990℃，詳見後文

 氣氛：N2、空氣切換

坩堝：氧化鋁坩堝

試驗一：爐腔不抽真空，直接進樣程序升溫

樣品量：9.6mg;

升溫程序：室溫（升溫速率10K/min,氮氣）→870℃（10K/min,空氣）→990℃，測試結果見下圖

測試結果說明：261.5℃為揮發性有機溶劑失重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%,殘餘質量（灰分）為7.08%，為無機填料。

試驗二：升溫前對爐腔進行三次循環抽真空充氮氣後，升溫測試

樣品量：10.77mg;

升溫程序：室溫（升溫速率10K/min,氮氣）→870℃（10K/min,空氣）→990℃，測試結果見下圖

測試結果說明：262.0℃為揮發性有機溶劑失重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%，殘餘質量（灰分）為8.02%，為無機填料。

試驗三：對爐腔進行三次循環抽真空充氮氣後，改變升溫程序進行測試

樣品量：10.30mg;

升溫程序：室溫（升溫速率10K/min,氮氣）→600℃（20K/min,氮氣）→300℃（10K/min,空氣）→990℃，測試結果見下圖

測試結果說明：263.1℃為揮發性有機溶劑失重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%，殘餘質量（灰分）為6.93%，為無機填料。

結果分析

（1）.試驗一未抽真空，受爐內空氣的影響使得TGA曲線在600℃-850℃之間出現了一個較大的台階，實質為炭黑的緩慢氧化過程。通過試驗一和試驗二的對比可以發現，爐內殘餘空氣對測試結果有較為明顯的影響，主要表現在①殘餘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兩個峰；②殘餘空氣的存在導致裂解炭黑和添加炭黑出現了緩慢氧化的過程，影響炭黑含量的準確測量。

（2）.試驗二通過抽真空和充氮氣的方法清洗了爐內氣體，除去了殘留空氣的影響，但持續的升溫沒有辦法區別出裂解炭黑和填充炭黑。

（3）.試驗三采用升溫—降溫—升溫的方式，由於裂解炭黑的穩定性比填充炭黑的穩定性差，而先發生燃燒，表現在Fig3中炭黑燃燒的第一個台階，而溫度較高的台階為填充炭黑的燃燒台階，這樣就可以有效的將裂解炭黑和填充炭黑區分開，從而得到填充炭黑的準確含量。