炭黑作為一種重要的橡膠補強填料，在橡膠工業(yè)中扮演著舉足輕重的角色。它不僅顯著改善了橡膠的物理機械性能，還提高了橡膠的耐磨性、耐候性和導(dǎo)電性等特性。本文將從炭黑的粒徑、結(jié)構(gòu)、用量及化學(xué)活性等方面，詳細探討炭黑對橡膠硫化性能的影響。
一、炭黑的基本性質(zhì)
炭黑是通過烴類化合物(如天然氣、煤焦油等)在缺氧條件下不完全燃燒或熱解生成的黑色粉末狀物質(zhì)。在橡膠工業(yè)中，炭黑主要作為補強劑使用，以提高橡膠制品的拉伸強度、撕裂強度、耐磨性等性能。炭黑的種類繁多，根據(jù)用途不同可分為高耐磨、補強、半補強等幾種類型，如N110、N220、N330、N550等。
二、炭黑粒徑對橡膠硫化性能的影響
炭黑的粒徑是影響其補強性能的關(guān)鍵因素之一。一般來說，炭黑粒徑越小，比表面積越大，與橡膠分子的接觸面積也越大，從而能更好地發(fā)揮補強作用。具體來說：
拉伸強度與撕裂強度：炭黑粒徑愈小，硫化膠的拉伸強度和撕裂強度愈大。這是因為小粒徑炭黑能更均勻地分散在橡膠基體中，形成更多的結(jié)合點，增強了橡膠分子間的相互作用力。然而，當炭黑粒徑過小時，粒子間聚凝力增大，易結(jié)團，導(dǎo)致混煉時分散困難，反而可能降低補強效果。
定伸應(yīng)力與伸長率：定伸應(yīng)力與炭黑粒徑關(guān)系不大，而主要受炭黑結(jié)構(gòu)的影響。伸長率則與炭黑粒徑及結(jié)構(gòu)均有關(guān)，一般來說，結(jié)構(gòu)越高，伸長率越小;炭黑用量增加也會降低伸長率。
硬度與耐磨性：粒徑愈小或結(jié)構(gòu)愈高的炭黑，硫化膠的硬度愈高，耐磨性愈好。這是因為小粒徑、高結(jié)構(gòu)的炭黑能更有效地填充橡膠空隙，增加橡膠的致密性和硬度，從而提高耐磨性。
屈撓性能與生熱性能：粒徑越小、結(jié)構(gòu)越高的炭黑，硫化膠的屈撓龜裂性越好，但生熱也越高。低結(jié)構(gòu)半補強爐黑和高結(jié)構(gòu)半補強爐黑填充的橡膠具有較好的耐屈撓性能，且生熱較小。
三、炭黑結(jié)構(gòu)對橡膠硫化性能的影響
炭黑的結(jié)構(gòu)性是指炭黑粒子聚集體內(nèi)部空隙和分支的復(fù)雜程度。結(jié)構(gòu)性高的炭黑，其聚熔體形態(tài)復(fù)雜，枝杈多，內(nèi)部空隙大，能形成更多的吸留橡膠(或稱包容橡膠)，從而顯著提高硫化膠的定伸應(yīng)力、硬度等性能。
補強性能：結(jié)構(gòu)性高的炭黑能更好地阻礙橡膠分子鏈的變形，提高硫化膠的定伸應(yīng)力和硬度。然而，對于結(jié)晶性橡膠，較低結(jié)構(gòu)的炭黑更有利于拉伸強度和撕裂強度的提高，因為低結(jié)構(gòu)炭黑被吸留的橡膠少，有利于橡膠的伸長結(jié)晶。
分散性與加工性能：結(jié)構(gòu)性高的炭黑在混煉時能更好地分散，提高膠料的加工性能。此外，吸留橡膠的形成還能改善壓出操作性能，使壓出口型膨脹率和半成品收縮率減小，表面光滑。
導(dǎo)電性能：炭黑的結(jié)構(gòu)性是影響膠料導(dǎo)電性能的最重要因素。結(jié)構(gòu)性越高，炭黑聚熔體的鏈枝狀結(jié)構(gòu)越易于在膠料中形成交織聯(lián)結(jié)的導(dǎo)電通路，從而提高導(dǎo)電性能。
四、炭黑用量對橡膠硫化性能的影響
炭黑的用量對橡膠硫化性能有著顯著影響。一般來說，炭黑用量增加到一定范圍(如40~50份)時，硫化膠的拉伸強度、撕裂強度、耐磨性等性能達到最佳。但用量過多則可能導(dǎo)致混煉困難、分散不均、生熱增加等問題。
補強效應(yīng)：隨著炭黑用量的增加，硫化膠的硬度、模量、耐磨性等性能均有所提高，補強效應(yīng)顯著增強。然而，用量過多時，橡膠的可塑性下降，加工性能變差。
分散性：炭黑用量增加會加劇混煉時的分散難度，容易導(dǎo)致炭黑粒子結(jié)團，惡化制品性能。因此，在混煉過程中需嚴格控制炭黑用量和混煉條件，以獲得良好的分散效果。
生熱與老化：炭黑用量增加會導(dǎo)致硫化膠生熱增高，加速橡膠的老化過程。因此，在實際應(yīng)用中需根據(jù)制品的使用環(huán)境和要求選擇合適的炭黑用量。
五、炭黑化學(xué)活性對橡膠硫化性能的影響
炭黑的化學(xué)活性對其補強性能具有重要作用。化學(xué)活性大的炭黑表面上的活性點多，在煉膠與硫化過程中與橡膠分子反應(yīng)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(結(jié)合橡膠)數(shù)量多，從而賦予硫化膠以高強度和高耐磨性。
結(jié)合橡膠：化學(xué)活性大的炭黑能生成更多的結(jié)合橡膠，提高膠料的門尼粘度，增強橡膠分子間的相互作用力。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成是炭黑補強性能的基礎(chǔ)。
工藝性能：化學(xué)活性大的炭黑在混煉時生成的結(jié)合橡膠數(shù)量多，導(dǎo)致壓出時口型膨脹率和半成品收縮率加大，壓出速度減慢。因此，在實際應(yīng)用中需根據(jù)制品的工藝要求選擇合適的炭黑品種和用量。
六、結(jié)論
炭黑對橡膠硫化性能的影響是多方面的，涉及粒徑、結(jié)構(gòu)、用量及化學(xué)活性等多個因素。在實際應(yīng)用中，需根據(jù)制品的具體要求和工藝條件選擇合適的炭黑品種和用量，以獲得理想的橡膠性能。同時，還需注意炭黑在橡膠中的分散性問題，以確保制品的均勻性和穩(wěn)定性。通過深入研究和不斷探索，炭黑在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。
