炭黑在轮胎中的应用

　　第二节炭黑在轮胎中的作用

在轮胎产品中炭黑是一种主要原材料，其用量约占30%，仅次于聚合物列第二位。因为炭黑可以极大地提高橡胶的物理性能，所以是轮胎产品最重要的补强剂，特别是以合成胶为主的体系，不通过补强，其本身的强度没有任何使用价值。橡胶的补强作用可以定义为橡胶产品使用寿命的提高，一般通过补强的弹性体其模量、硬度、耐磨性等均有提高。对于汽车轮胎而言，最有意义的是补强与胶料磨耗之间的相关性。

炭黑具有强大的吸附能力，与烃类橡胶的相互作用是物理性的，不涉及化学反应。炭黑补强橡胶的根本是是弹性体分子在发黑表面的附着，因为炭黑粒子存在微孔，当微孔尺寸非常小，使弹性体分子无法进人时，孔内所包含的面积对补强不起作用;当弹性体分子非常大无法进入永久结构的空隙中时补强也无法实现。炭黑凝胶的生成是补强的先决条件，这种炭黑凝胶

是一种无限大的炭黑-弹性体网络，在玻璃化温度以下的玻璃态炭黑凝胶不存在，补强作用消失。因此，填料对橡胶的补强只限于弹性体的橡胶态，当弹性体在玻璃态时，填料就很少或没有有补强作用。在炭黑凝胶中，结合网络的交联是由填料引起的，补强粒子与弹性体之间的相互作用和结合强度是补强的关键。

炭黑是由碳元素组成的胶态物质，聚集体的大小、形态和表面活性决定了它的补强特性。炭黑聚集体牢固地烧结在一 起，在橡胶加工过程中一般的工艺不能将其分开。衡量炭黑对橡胶补强作用时，比表面积、结构和表面活性是重要指标，此外同时还应考虑炭黑中的碳质成分(如焦炭)、非碳素(如灰分和水分)以及分散水平等一些重要参数。

1. 粒径(比表面积)

填料粒径是指其初级粒子的大小及分布。离散的单个炭黑粒子很难存在，最小的独立实体为聚集体，它们会通过物理或化学作用聚集在一起。初级粒子的大小及分布被认为是填料的首要可分散因素，对其补强作用有重要影响。一般粒子越细，比表面积越大，补强性能越优越。炭黑的比表面积还包含表面粗糙度也就是表面孔性。这也是补强性的影响因素。填料粒径可用透射电镜直接观察，也可以用低温氮吸附法(BET法)测定。BET 法是测定比表面积的标准方法，这种方法对炭黑表面化学变化不敏感，但由于氮分子小，足以进入表面微孔。所以BET法测定的是炭黑的总表面积。对于橡胶补强而言，直径小于2nm的填料表面微孔橡胶无法接近，也就无法发挥补强作用。采用统计层厚度法(STSA)可以排除过小的微孔，反映可与橡胶相互作用的“外表面积”，所以应用越来越多。炭黑的表面粗糙度也就是表面孔性，也对补强行为有影响。

2结构(聚集体形态)

填料结构是指其聚集体的形态和尺寸，即聚集体的状态，表明炭黑不规则球体的数量、排列和分布。结构越高，其空间容积越大，堆积密度越低，具有更高吸收液体能力。但不同比表面积的炭黑其结构不可比。填料的这特性可用DBP吸收值来测定，而压缩吸油值(CDBP) 因为经过压缩，受到剪切作用，有些高结构炭黑会发生断裂，因而更接近作用于橡胶中的结构，

在橡胶中，填料的结构对其黏度和定伸应力等性能有重要影响

3.表面活性

填料表面活性是指其粒子表面的物理化学特性和化学特性，直接决定了填料与橡胶之间的相互作用。表面活性是最难描述的填料特性，从化学角度上说，它与填料表面化学基团的活性有关，大量研究表明炭黑表面的含氧官能团对补强不利;从物理化学角度上，表面活性代表吸附能力。强大的表面吸附能力是炭黑具有补强作用的根源。结合橡胶在某种程度上可以表征表面活性。结合橡胶指未硫化胶中不能被良溶剂抽出的橡胶部分。结合橡胶含量高表明聚合物与填料相互作用强。填料表面活性研究进一步揭示了补强剂补强学怕机理，人们发现炭黑对非极性物质的吸附能远高于另外一种补强剂---白炭黑，说明与非极性橡胶的相互作用明显强于白炭黑，而白炭黑则是与极性物质的相互作用强于炭黑，因此对于普遍采用非配极性橡胶的轮胎胶料来说，白炭黑的补强作用远比不上炭黑。白发黑必须通过表面改性来改善与橡胶的相互作用。白发黑采用硅烷偶联剂改性，以其特有的动态力学性能在高性能轿车胎中广泛应用，面配挑战传统的炭黑工业。发黑表面改性技术也因此在最近十年遇选活跃，以应对白炭黑的挑战，典型产品如碳-硅双相发黑、接枝炭黑及各种改性炭黑等。

4.分散结构

填料的分散结构是指其在橡胶中的状态。为了实现对橡胶的补强，填料最好是完全无缺陷

地分散在橡胶中。优良的宏观物理性能要求材料结构的均衡，但是粒状填料与与橡胶分子

的混合不可能达到热力学意义上的均相体系，这是二者的化学本性决定的。胶料中的炭黑粒子会附聚，形成填科网络，混练不均勾的胶胶料会形成较强的填料网络，即使是完成分散的胶料在后序加工及存放的过程中，也会形成附聚。提高填料分散水平是充分发挥其补强作用的关键，聚合物填料相互作用越强，胶料越耐磨;填料网络的形成会影响胶料的滞后性能，

然而往往越是补强性强的炭黑却越难于分散。

不同品种的炭黑由于上述参数不同，造成橡胶与炭黑之间相互作用程度、聚集体空隙中吸留橡胶量、炭黑聚结体附聚倾向等方面的差异，最终影响补强效果。

除此之外，炭黑中的其他组分也会对性能产生影响。聚集体上复杂的含氧官能团影响着炭黑

的物理化学性质，炭黑表面氧化会降低pH值，改变胶料的硫化动力学过过程，减慢硫化速度。炭黑中还包含着来自于芳烃原料的硫元素，这些硫大多数键合到炭黑粒子内部，不具备反应性，也不影响交联。