炭黑在轮胎中的应用

二、硫化胶性能

轮胎各部件胶料的硫化胶性能决定着轮胎的成品性能。硫化胶性能主要包括硬度、拉伸性能、弹性、耐疲劳性等。轮胎使用条件复杂多变，需要具有多方面的综合性能。不同规格品种轮胎、不同部件对性能要求的侧重点不同，不能以某些性能作为衡量标准。每项性能都与配方中所选择的炭黑品种和用量相关，需要配方设计者根据需要合理匹配。

(一) 硬度和定伸应力

硬度和定伸应力都是表征硫化胶刚性的物性指标，均表示胶料抵抗外力作用的能力。硬度与小的压缩变形相关，定伸应力则与大的拉伸变形相关。在轮胎配方中影响硬度及定伸应力的因素主要有:补强体系的品种和用量，操作油和加工助剂用量， 以及硫化交联结构。

硫化胶硬度与定伸应力基本与炭黑填充量成比例增加，但结晶性橡胶的增长幅度比非结晶性橡胶高，例如在同一炭黑配合量下，结晶橡胶硬度及定伸应力更高。虽然添加炭黑可以提高硬度，但随着炭黑用量增加，胶料加工性能变差。在实际应用中，炭黑用量有一定限度，单用炭黑胶料硬度很难达到85 (邵氏A型)以上，对于硬度要求很高的胶料，如子午线轮胎三角胶，使用补强树脂是常用而且有效的增硬方法。胶料硬度及定伸应力还与炭黑性质有关，比表面积小的炭黑，硫化胶硬度高。所以人们习惯上把表面积大的高补强性炭黑称为硬质炭黑，而把比表面积小的低补强性炭黑称为软质炭黑。炭黑比表面积对胶料定伸应力影响并不大，炭黑的结构对定伸应力影响较大，结构高的发黑，胶料定伸高。而使用表面活性高的炭黑。由于橡胶与炎黑相互作用增强，结合胶增多，定伸应力和硬度都会提高。

(二)拉断强度及扯断伸长率

拉断强度表征橡胶抵抗外力作用的极限能力，是橡胶能否满足使用要求，使用寿命如何的重要指标。配方中各组分与拉断强度的关系是轮胎配方工程师必须重点了解的内容，

补强体系的作用是提高橡胶的强度，所以对拉断强度影响很大。一般炭黑粒径越小、表面活性越大，补强性越好，拉断强度越高。但用量的影响则因胶种而不同，结晶性橡胶具有自补强性，生胶强度较高，拉断强度随黑用量增加而下降，非结晶橡胶则随炭黑用量增加而增大，达到峰值后开始下降。炭黑结构与拉断强度的相关性不明显，在轮胎配方常用的配合量下，

一般拉断强度随结构的增高而降低。配方中的增塑剂会降低硫化胶的强度，与橡胶本体相容性好的增塑剂影响小一些。

硫化胶的扯断伸长率与拉断强度有很大相关性，只有拉断强度高的胶料，才能保证在拉伸过程中不断裂，因而具有较高的伸长率。一般情况下，胶料定伸应力和硬度高，扯断伸长率低。

(三)弹性

弹性是橡胶特有的宝贵性能。但橡胶并不是理想的弹性体，它既有弹性又有黏性。轮胎的某些部件对弹性要求较高，提高胶料弹性可以通过调整生胶体系、补强体系和硫化体系实现。补强填料用量大对弹性不利，而且越是粒径小、结构高、表面活性大的炭黑，对硫化胶的弹性越不利。提高含胶率是获得高弹性胶料的简单而有效的方法。

(四)耐磨性

耐磨性表征硫化胶抵抗摩擦力作用的能力，是与使用寿命相关的力学性能。橡胶的耐磨性本身机理非常复杂，影响因素很多，涉及机械破坏，如疲劳、撕裂等;还涉及机械-化学-热化学作用，其本质上取决于生胶、交联结构和由填料类型及填充量确定的翅分子结构。

对于给定聚合物，磨耗是受到填料强烈作用的性能。比表面积是影响填充硫化胶磨耗性能的最重要的参数，通常填充高比表面积炭黑的胶料具有较高耐磨性，特别是在较填充量下，耐磨性随比表面增大而提高。但比表面积对耐磨性的影响有限度，当比表面积超过一定限度后，耐磨性不会再提高，实际上，比表面积极高的炭黑，耐磨性反而较差，这种现象在高填充量下会更加明显。这与高比表面积炭黑填料-填料之间互相作用较高、难于均匀分散有关。

炭黑结构对胶料耐磨性的影响与磨耗类型有关。研究橡胶的磨耗不能不提摩擦表面状况，因为橡胶在不同表面上具有完全不同的摩擦机理。橡胶在粗糙表面摩擦时，凸出的尖锐物不断切割使胶料表面被扯成无数细小的微粒，形成磨损磨耗。此时胶料的强度越高、弹性越高，耐磨性越好。当橡胶与光滑的表面接触时，由于摩擦力的作用，使硫化表面凹凸不平的部分变形，最终成卷地脱落，此谓卷曲磨耗。同时与摩擦表面相接触的硫化胶表面在反复的摩擦过程中受到周期性压缩剪切、拉伸等作用，橡胶表面产生疲劳，并渐渐生成疲劳裂纹。这些裂纹不断发展造成材料表面脱落，这种磨耗称为疲劳磨耗。可见橡胶的磨耗机理十分复杂，不同的使用条件会导致不同的结论。硫化胶的诸多力学性能中，拉断强度和弹性对耐磨性的影响始终是积极的，即随着拉断强度和弹性的增加，耐磨性提高;提高胶料的耐疲劳性对降低疲劳磨耗有利;而定伸应力对不同类型的磨耗有不同的影响，高定伸对磨损磨耗和卷曲磨耗有利，而对疲劳磨耗则刚好相反。

炭黑表面活性也是影响胶料磨耗的重要参数，近年来备受关注。表面活性高的发黑与聚合物相互作用更强，耐磨性高。炭黑表面含氧官能团对耐磨性不利，若炭黑被化学物质吸附也会使表面活性降低，影响耐磨性。

填充量对磨耗的影响存在最佳值，具体用量依胶种、交联密度和使用条件而不同。天然橡胶体系、交联密度大的体系和使用条件较温和的体系最佳用量较低。白炭黑的耐磨性明显不如炭黑，虽然与偶联剂配合后有所改善，但耐磨始终是白发黑的弱项。

在胶料中均勾分做是炭黑发挥补强作用的前提，这一点对耐磨性尤为重要，胎面胶混炼过程中一定要保证炭黑良好的分散性，但值得注意的是，一些能够改善炭黑分散性的助剂会使炭黑表面活性降低，影响到炭黑与聚合物相互作用，最终使耐磨性下降。在混炼过程中应关注如何充分发挥橡胶和炭黑本身的作用，尽量避免影响相互作用的混炼工艺和配合剂。