在現(xiàn)代橡膠工業(yè)中，炭黑作為一種重要的填料，被廣泛應(yīng)用于各類橡膠制品中，尤其是順丁橡膠(BR)。炭黑與順丁橡膠的相互作用不僅顯著影響橡膠的物理機(jī)械性能，還對其加工性能和耐用性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本文將從炭黑的化學(xué)活性、粒徑、結(jié)構(gòu)性和表面粗糙度四個方面，詳細(xì)探討炭黑與順丁橡膠的相互作用及其對性能的影響。
一、炭黑的化學(xué)活性與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的化學(xué)活性是決定其補(bǔ)強(qiáng)性能的關(guān)鍵因素之一。化學(xué)活性高的炭黑，表面含有更多的活性點(diǎn)，這些活性點(diǎn)在煉膠和硫化過程中與橡膠分子發(fā)生反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(結(jié)合橡膠)，從而賦予硫化膠更高的強(qiáng)度。實驗證明，化學(xué)活性大的炭黑補(bǔ)強(qiáng)作用顯著，而化學(xué)活性低的炭黑(如石墨化炭黑)補(bǔ)強(qiáng)作用則較弱。
這種補(bǔ)強(qiáng)作用不僅提高了橡膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，還顯著提升了耐磨性。炭黑的化學(xué)活性增大，會使混煉時生成的結(jié)合橡膠數(shù)量增多，導(dǎo)致膠料的門尼粘度提高，壓出時口型膨脹率和半成品收縮率增大，壓出速度減慢。然而，這些變化同時也帶來了硫化膠物理性能的增強(qiáng)，如拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和耐磨性的提升。
值得注意的是，炭黑表面的含氧官能團(tuán)對不飽和橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用較小，但對飽和度高的橡膠(如丁基橡膠)的補(bǔ)強(qiáng)作用則較大。因此，在選用炭黑時，需根據(jù)橡膠的類型和具體性能要求，選擇合適的炭黑種類。
二、炭黑的粒徑與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的粒徑是影響其補(bǔ)強(qiáng)性能的另一個重要因素。炭黑粒子越小，比表面積越大，相同質(zhì)量下活性點(diǎn)也越多，從而能更好地發(fā)揮對橡膠的化學(xué)結(jié)合和物理吸附作用，提高補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。粒徑小的炭黑能夠顯著提高硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、耐磨性和硬度，同時改善耐屈撓龜裂性。然而，粒徑過小的炭黑粒子間聚凝力大，易結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致混煉時分散困難，使可塑性下降，壓出性能降低。
在實際應(yīng)用中，需要權(quán)衡炭黑粒徑對補(bǔ)強(qiáng)性能和加工性能的影響。合適的炭黑粒徑不僅能提供優(yōu)異的物理機(jī)械性能，還能保持良好的加工性能。因此，在選擇炭黑時，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的性能要求和加工條件，合理確定炭黑的粒徑。
三、炭黑的結(jié)構(gòu)性與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的結(jié)構(gòu)性是影響其補(bǔ)強(qiáng)性能的第三個重要因素。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，當(dāng)與橡膠混合后，形成的吸留橡膠(或稱包容橡膠)多。這些吸留橡膠能阻礙橡膠分子鏈的變形，從而提高硫化膠的定伸應(yīng)力和硬度等性能。同時，吸留橡膠的形成還有助于改善炭黑在混煉時的分散性以及壓出操作性能。
炭黑的結(jié)構(gòu)性對結(jié)晶性和非結(jié)晶性橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能影響不同。較低結(jié)構(gòu)的炭黑對結(jié)晶性橡膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的提高較為有利，這主要是由于結(jié)構(gòu)性低時，被吸留的橡膠少，有利于橡膠的伸長結(jié)晶。此外，炭黑的結(jié)構(gòu)性還顯著影響膠料的導(dǎo)電性能。結(jié)構(gòu)性越高，導(dǎo)電性越好，這是由于炭黑聚熔體的鏈枝狀結(jié)構(gòu)易于在膠料中形成交織聯(lián)結(jié)的導(dǎo)電通路。
在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)橡膠制品的具體性能要求，選擇合適的炭黑結(jié)構(gòu)性。對于需要高導(dǎo)電性能的橡膠制品，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)性高的炭黑;而對于需要高拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的橡膠制品，則可考慮選擇結(jié)構(gòu)性較低的炭黑。
四、炭黑的表面粗糙度與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的表面粗糙度也會對補(bǔ)強(qiáng)性能產(chǎn)生不利影響，并降低膠料的工藝性能。當(dāng)炭黑粒徑相同時，增大表面粗糙度會使補(bǔ)強(qiáng)性能下降，這是因為橡膠分子鏈不能進(jìn)入炭黑表面只有零點(diǎn)幾個納米的孔隙中，導(dǎo)致炭黑與橡膠能夠產(chǎn)生相互作用的有效表面積減小，補(bǔ)強(qiáng)作用下降。
表面粗糙度增大，會使硫化膠的拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、耐磨性和耐屈撓龜裂性能下降，但回彈性、扯斷伸長率以及受其影響的抗撕裂性能提高。因此，在選擇炭黑時，應(yīng)考慮其表面粗糙度對橡膠性能的影響，盡量選擇表面光滑的炭黑，以提高橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能和加工性能。
五、炭黑用量對順丁橡膠性能的影響
炭黑的用量也是影響順丁橡膠性能的重要因素之一。隨著炭黑用量的增加，順丁橡膠的壓縮溫升和壓縮永久變形都呈遞增趨勢。這是由于炭黑用量增大，使得順丁橡膠的分散性變差，同時炭黑與順丁橡膠的相互作用也增大，導(dǎo)致在動態(tài)作用下橡膠內(nèi)部的摩擦生熱增加，溫升提高。
然而，炭黑用量的增加也會顯著提高順丁橡膠的耐磨性。實驗表明，隨著炭黑用量的增加，膠料的磨耗量明顯下降，即耐磨耗性能明顯提高。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)橡膠制品的具體性能要求和加工條件，合理控制炭黑的用量。
結(jié)論
炭黑與順丁橡膠的相互作用及其對性能的影響是多方面的。炭黑的化學(xué)活性、粒徑、結(jié)構(gòu)性和表面粗糙度以及用量等因素，都顯著影響順丁橡膠的物理機(jī)械性能、加工性能和耐用性。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)橡膠制品的具體性能要求和加工條件，選擇合適的炭黑種類和用量，以充分發(fā)揮炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用，提高橡膠制品的質(zhì)量和性能。
