炭黑在轮胎中的应用

第三节炭黑对轮胎性能的影响

轮胎是种非常复杂的橡胶制品。轮胎产品规格品种繁多，部件复杂，每种产品都有其独特的使用性能要求，相应的每种部件都有各自不同的工艺性能和物理机械性能指标。轮胎配方设计就是通过合理地选择橡胶、补强剂和配合剂，使胶料性能达到产品要求的过程。

轮胎设计的出发点是轮胎的使用性能。轮胎的使用性能主要包括:耐磨性，滚动阻力、抗湿滑性、高速性、操纵性、乘坐舒适性等。不同规格品种的轮胎使用条件不同，对使用性能的要求也各有侧重。轮胎的各项使用性能是通过才本身的轮廓、结构和各部件的胶料性能得以体现的。对轮胎配方设计者来说，了解各部件胶料的性能要求，以及各种配合剂对这些性自

能的影响，并设法实现它是非常重要的。硫化胶料性能主要包括:力学性能、老化性能、黏弹性能等。轮胎是由多个部件组成的复合材料，每种胶料的性能必须在轮胎成品中体现，这就要求各部件胶料必须具有与工艺装备相配合的工艺性能，确保轮胎制造过程稳定、准确、流畅，最终保证产品性能。炭黑作为轮胎中非常重要的补强剂，对轮胎的诸多性能具有影响。

　　一、胶料工艺性能

工艺性能是指生胶或混炼胶硫化前的可加工性，未硫化橡胶在加工过程中均呈现黏弹行为。胶料的工艺性能将影响产品的质量和稳定性，以及生产效率和能源消耗。工艺性能包括如下几方面：胶料混炼特性、黏弹性能、黏性和硫化特性等。

(一)胶料混炼特性

混炼特性是胶料的基本性能，为保证后混炼胶必须具有良好的分散性和适宜的黏度。混炼胶必须具有良好的分散性和适宜的黏度。炭黑在橡胶中只有适当充分的份数才能对硫化胶起到应有的补强作用。由于混炼条件不同，分散程度不同，硫化胶的物理机械性能将有很大不同。分散性主要指各种配合剂应在胶料中尽可能均匀分布，炭黑、白炭黑等补强剂只有均匀分散才能充分发挥作用，硫化剂也只有均勾分布在胶料中才能使硫化速度一致， 最终保证性能，各种配合剂的分散性是表征混炼性能的重要指标。分散性好坏与混炼工艺和配合剂品种、用量相关。一般炭黑粒径小、 结构低、填充量大的胶料比较难于混炼均匀，含大量白炭黑的胶料则更加困难，这就需要合理的混炼工艺相配合，增加混炼段数、提高剪切力、适当延长混炼时间都是改善分散性的有效方法。应该注意的是，为保证炭黑对聚合物的补强作用，在混炼过程中应首先使炭黑和聚合物相互作用，避免一些极性的、分子量较小的配合剂先与炭黑接触，影响补强效果。

轮胎制造工艺要求混炼胶的黏度应稳定地控制在一定范围内，每种胶料因性能要求不同，加工工艺不同，控制的黏度也不同。一般炭黑粒径小、结构高、用量大，胶料黏度高。

以前轮胎厂用可塑度表征黏度，现在已改用更加推确的门尼黏度。含炭黑的混炼胶在剪切速率较低时，弹性体往往呈现牛顿流动，剪切速率较高时，由于链断裂而导致黏度不可逆地下降。填充炭黑的混炼胶由于某些原因会转变为非牛顿体系，如炭黑聚集体形成附聚体。弹性体链和炭黑粒子的相互作用可形成炭黑-弹性体三维网络结构，这种结构通过剪切作用会逐渐消失。显然炭黑-弹性体复合体的大小和和形状在不同剪切应力下将发生变化，因此表现出复杂的流动性。

应该注意的是，在胶料的加工过程要在保证分散的情况下，尽可能保持高黏度，减少在存放、

硫化过程中的填料附聚。

(二)胶料的压延压出性能

混炼胶必须经过压延压出工序，成为具有一定形状的半成品部件才能进行成型。压延是指通

过辊简施加外力于热炼胶，使之具有形状的过程。轮胎制造过程中的压延主要有钢丝帘布压延、纤维帘布压延和胶片压延三种。压延胶料应具有适宜的包辊性，良好的塑性变形能力和低收缩率，以及足够的焦烧时间。这些特性与胶料的门尼黏度、成为松弛能力有关。影响压延质量的内在因素是胶料配方，外在因素是设备及工艺条件。

炭黑用量增加可以在一定程度 上提高混炼胶强度，改善包辊性，减小收缩率，但会降低流动性。

压出是指混炼胶通过挤出机作用成为各种形状的轮胎部件的过程。压出胶料应具有良好的流动性和尺寸稳定性，以保证压出效率和压出精度。这两项性能取决于胶料的塑性变形能力和应力松弛时间，与胶料配方关系较大，挤出设备和挤出工艺条件也有影响。

挤出口型膨胀是弹性体固有的现象，炭黑有填充和包容效应，可以降低自由橡胶体积分数。炭黑胶料的口型膨胀取决于炭黑的用量和炭黑结构，而与其补强能力没有关系。炭黑用量大、

结构度高，压出物尺寸稳定性好，但流动性差，会带来压出困难。

(三)胶料的硫化性能

胶料的硫化性能包括焦烧性能、硫化速度及硫化返原性等，焦烧性能是指在胶料的的各种加工工艺过程中，由于温度的作用使诱导期缩短，最终可能导致胶料早期硫化，使胶料不能使用，胶料所具有的抑制焦烧现象的能力即为焦烧性能，它可以反映胶料的加工安全性，是重要的工艺参数。

焦烧性能采用门尼黏度计测量，用t₅ ，t₃₅表示。t₅ 为黏度值从最低黏度上升5个单位所需的时间，t₃₅为黏度值从最低黏度上升35个单位所需的时间。轮胎配方设计人员应根据各企业的工艺及装备情况，在配方设计时保证胶料有足够的焦烧安全性。

硫化速度是指胶料在特定的硫化温度或热历程下模量增大的速度。硫化时间是指在特定的硫化温度或热历程下达到特定状态所需的时间。用振荡圆盘流变仪可测定硫化时间和硫化速度。轮胎业界通常用t90 (达到设定硫化状态90%所需要的时间)表征硫化速度。

但实验胶片的最佳硫化时间并不等同于轮胎产品的硫化时间，轮胎为较厚橡胶制品，其硫化过程为变温热历程，在确定轮胎各部件硫化性能时应综合考虑硫化条件、部件位置、胶料的导热性、过硫稳定性等请多因素，有效平衡硫化效率和物理性能，应注意的是不同流变仪所测得的硫化速度是有差异的，传统的有转子流变仪因为难以排除转子的影响，不是等温硫化，所测结果长于无转子流变仪，也长于实际硫化速度。

炭黑中含有来自原料油的硫，含量一般低于0.5%，主要以多环芳烃内的结合硫形式存在。这些硫大多数键合到炭黑粒子内部，不具备反应性，也不影响硫化性能。当炭黑中硫含量大于1.2%时，会使焦烧时间变短，但对其他性能影响较小。

炭黑表面含氧官能团多，pH值低，焦烧时间变长，碗化速度变慢。新工艺炭黑粒子较小，分布较窄，结构较高，表面活性大，因而焦烧时间短，硫化速度快。

应该明确的是，与炭黑相比，合理选择硫化促进烈和适当使用防焦剂对于控制硫化速度和焦绕时间是至关重要的，用迟效性或起效温度较高的促进剂，或并用防焦剂可改改善焦烧安全性。合理选择促进剂也可以实现制品所需要的硫化性能。在选择炭黑是时应重点关注其补强性，对硫化性能的影响可以靠精选硫化体系弥补。