橡胶填充补强剂炭黑介绍

炭黑可以定性描述一系列的性能：颗粒粒度 (和表面积)、 粒径分布、结构(粒子聚集)和表面活性(化学官能团，如羧基和酮)。

对炭黑的关键属性的描述列举如下表所示。

炭黑性能

碘值：测量的表面积(粒径)。碘的含量越高，颗粒的粒径越小。

DBP ：测量炭黑聚集体的尺寸。DBP值越大，聚集体越大。

色泽 ：光学吸光度，其值随小颗粒的增多而增大。

CTAB ：特殊表面区域测量的矫正对微孔的作用。

炭黑的相关术语定义见下表。另外也可以参考ASTM标准D1566-04组合条款( ASTM D1566-04, 2004 )和特别为炭黑制定的D3053-04标准( ASTMD3053-04, 2004 )。

炭黑术语定义

炭黑聚集体尺寸或结构的增长将导致切割生长和抗疲劳性能的提高。颗粒尺寸的减小导致耐磨性和撕裂强度的增加、回弹性的下降以及滞后和热积累的增加。有研究者对炭黑类型和用量对胎面胶性能的影响做了一系列实验，评价了三种充油量的胎面胶配方中的16种炭黑作用，并记录了一系列有关炭黑对橡胶化合物滞回性能影响。这些包括用量、聚集体大小、表面积、聚集体大小分布、聚集体不规则性(结构)、表面活性、分散性和非均相聚合物系统中的相分布等。

从选定的炭黑类型作测试，有下面几点说明：

1.炭黑填充量的降低导致轮胎滚动阻力降低。炭黑填充量一定，增加油量会增加滚动阻力而且能提高牵引力(在低油量，可通过增加油量提高炭黑的分散，降低复合滞后)。

2.增加炭黑纯度可同时提高滚动阻力和牵引力。

3.宽聚集体尺寸分布的增加将减小轮胎的滚动阻力。

4.选择适合的胎面炭黑满足所需的滚动阻力、牵引力、磨损等性能参数。

炭黑含量对化合物性质的影响

上图显示了胎面级炭黑填充和对复合物的物理性能的影响总趋势。炭黑水平的提高伴随着化合物热量和硬度增加，同时，轮胎的滚动阻力和湿滑性能也提高。但是，经过优化之后，抗拉强度、复合加工性能和耐磨性这些性能下降。

根据前面提高轮胎滚动阻力方面的研究结果，有研究者开发了新的N200炭黑系列技术，这将给轮胎性能带来一一个较好的平衡，同时普遍原理也可适用于轮胎设计。

在预测炭黑技术未来的研究方向，一篇文献综述表明：炭黑与弹性体的相互作用最有潜力来提高复合物性能。有研究者证实了炭黑表面的羧基、酚基、醌和其他官能团与聚合物反应，并提供了在硫化橡胶中这些材料之间存在化学交联的证据。还有研究者直接从硫化胶的测量中确定橡胶-填料相互作用参数。定义比率σ/n,其中σ为炭黑与聚合物相互作用的应力-应变曲线的斜率;n=E’，为在1% ~ 25%应变振幅下的动态模量之比，它是填料-填料相互作用的量度。这种相互作用参数强调了炭黑-聚合物之间的相互作用的贡献，并减少了与网络有关的物理现象的影响。使用这个定义的参数可以得出许多结论：

1.σ/n值提供了一个很好的估量方法，来表征炭黑与系列聚合物包括丁苯橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶聚合物的相互作用。

2.SBR和NBR测得的σ/n值较高，SBR的芳环结构和NBR中的极性-CN基团对炭黑-填充物之间相互作用影响比较大。

3.对干燥的炭黑表面分析表明其中有一定含量的烃基存在。这些基团能够与其他官能团反应。

针对在炭黑表面建立有机官能团，研究者研究了有机硅烷的反应性，如二(3-三乙氧基甲硅烷)四硫烷与熔炉炭黑。推断出这些官能团如羧基、醌、苯酚、酮与二(3-三乙氧基丙基)四硫化物的乙氧基基团反应，然后成为炭黑表面的悬挂基团，如下式所示。

在提取分析和有机硅烷处理的炭黑复合材料的性能的基础上总结如下。

1.炭黑可以与特定种类的三烷氧基硅烷结合 。

2.结合的有机硅烷的数量与炭黑颗粒表面积和含氧官能团的性能相关。

3.该三乙氧基甲硅烷基组成的硅烷的反应性部分，与炭黑形成共价键。

4.双 (3-三乙氧基丙基)四硫烷与炭黑的反应可以减少复合滞后。

在往后的炭黑新技术发展方面可分为两大类：后处理改性，对炭黑表面处理以改善其性能；过程中改性，引入另一种材料，以再次提高填充物的基本性质。

后处理的例子包括使用臭氧、过氧化氢或硝酸对表面氧化。这样的方法在生产导电炭黑中使用。现在，重氮盐、等离子体和聚合物接枝反应也正在研究。

在反应过程中的改性包括添加金属、发展反向炭黑、纳米结构炭黑和炭黑-硅双向填充体系。