「碳黑」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弹性体分子在炭黑表面的附着，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入时，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，表明炭黑不规则球状体的数量、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。填料的这一特性可用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。白炭黑必须通过表面改性来改善与橡胶的相互作用。白炭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，挑战传统的炭黑工业。炭黑表面改性技术也因此在最近十年迅速活跃，以应对白炭黑的挑战，典型产品如碳-硅双相炭黑，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，形成填料网络，混炼不均匀的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。