炭黑对顺丁橡胶动态性能的影响

炭黑作为一种重要的橡胶填充剂，对顺丁橡胶(BR)的性能有着显著的影响。本文将从炭黑对顺丁橡胶的物理性能、动态性能、耐磨性能以及补强作用等方面进行详细探讨，以期深入理解炭黑与顺丁橡胶之间的相互作用。

一、炭黑对顺丁橡胶物理性能的影响

炭黑在顺丁橡胶中的用量直接影响其物理性能。随着炭黑用量的增加，顺丁橡胶的压缩温升和压缩永久变形呈现递增的趋势。这是因为随着炭黑填充量的增加，顺丁橡胶的分散性逐渐变差，炭黑与橡胶的相互作用增大。在动态作用下，橡胶内部的摩擦生热增加，导致温升提高。

实验数据表明，当炭黑用量在30-50份之间时，国产稀土顺丁橡胶的压缩温升和压缩永久变形增长幅度相对较小。然而，当炭黑用量超过50份时，这些性能指标的增长几乎呈线性趋势。值得注意的是，无论炭黑填充量如何变化，国产稀土顺丁橡胶的压缩温升始终低于国外稀土顺丁橡胶、镍系顺丁橡胶和钴系顺丁橡胶。这表明在压缩温升方面，国产稀土顺丁橡胶具有更高的填充容忍度。

此外，炭黑对顺丁橡胶的拉伸强度也有重要影响。以热可逆顺丁橡胶(TBR)为例，随着白炭黑(一种特定类型的炭黑)用量的增加，TBR的拉伸强度逐渐增大，断裂伸长率逐渐减少。当白炭黑用量达到30份时(通常以phr，即每百份橡胶中的份数表示)，TBR的拉伸强度和断裂伸长率分别达到最优值。然而，当白炭黑用量超过这一临界值时，拉伸强度可能会下降，原因是过量的炭黑可能阻碍橡胶分子间的交联，导致力学强度下降。

二、炭黑对顺丁橡胶动态性能的影响

轮胎在行驶过程中，胎侧会受到周期性的曲挠作用，因此胎侧通常采用天然橡胶(NR)与顺丁橡胶(BR)并用以获得良好的动态疲劳性能。炭黑在NR/BR并用胶中的分布和亲和性对并用胶的性能，特别是动态疲劳性能，具有重要影响。

研究表明，炭黑在NR/BR并用胶中更倾向于分布在BR相中。通过调控炭黑的粒径、结构度以及胶料混合工艺，可以优化炭黑在NR/BR中的分布，从而提高动态疲劳性能。例如，采用稀土催化、高门尼粘度的BR(如Nd-60)和高结构的炭黑(如N375)，并结合NR炭黑母胶工艺，可以基本实现炭黑在NR/BR中的均匀分布，从而显著提高轮胎胎侧胶的动态疲劳性能。

炭黑的分布不仅影响动态疲劳性能，还影响橡胶的动态模量和损耗因子。通过动态粘弹谱测定，可以建立损耗因子峰高与炭黑含量的关系，从而定量计算炭黑在NR/BR中的分布情况。这些研究为优化炭黑在橡胶中的分布提供了科学依据，有助于进一步提高橡胶的动态性能。

三、炭黑对顺丁橡胶耐磨性能的影响

橡胶的耐磨性是橡胶制品，特别是动态下使用的橡胶制品极为重要的技术指标。实验结果表明，随着炭黑用量的增加，顺丁橡胶的磨耗量明显下降，耐磨耗性能显著提高。这是因为炭黑作为填料，可以增加橡胶的硬度和刚度，从而提高其耐磨性。

耐磨性的提高不仅依赖于炭黑的用量，还与炭黑的种类和性质密切相关。例如，高结构的炭黑由于其较大的比表面积和较强的吸附能力，能够更有效地提高橡胶的耐磨性。此外，炭黑在橡胶中的分散性也是影响耐磨性能的重要因素。分散良好的炭黑能够更有效地传递应力，减少橡胶内部的摩擦和磨损。

四、炭黑对顺丁橡胶的补强作用

炭黑对橡胶的补强作用一直是橡胶科学领域的研究热点。炭黑粒子表面上的吸附橡胶层平均厚度对补强效果具有重要影响。通过核磁共振等现代测试技术，可以研究炭黑与橡胶微观相互作用结构的细节，从而深入了解炭黑的补强机理。

研究表明，炭黑粒子表面的吸附橡胶层不仅增加了橡胶的交联密度，还改变了橡胶的分子链段运动行为。这些变化有助于提高橡胶的强度和模量，从而增强其补强效果。此外，炭黑的粒径、结构度和表面性质等也会影响其补强性能。因此，在选择炭黑作为橡胶补强剂时，需要综合考虑其种类、性质和用量等因素。

结语

炭黑对顺丁橡胶的性能具有显著影响。通过优化炭黑的用量、种类和分布等参数，可以显著提高顺丁橡胶的物理性能、动态性能、耐磨性能和补强作用。这些研究成果不仅为橡胶制品的研发和生产提供了科学依据，也为推动橡胶工业的可持续发展做出了重要贡献。未来，随着材料科学和纳米技术的不断发展，炭黑在橡胶中的应用将更加广泛和深入。