橡膠作為一種廣泛使用的材料，其耐磨性對(duì)于許多應(yīng)用至關(guān)重要。而炭黑作為一種常見的橡膠填料，被廣泛應(yīng)用于提高橡膠的耐磨性和力學(xué)性能。炭黑是一種由碳元素組成的微粒，具有極高的比表面積和吸附能力。這些微粒能夠均勻地分散在橡膠基質(zhì)中，形成密集的填充網(wǎng)絡(luò)。本文將詳細(xì)探討炭黑如何影響橡膠的力學(xué)性能和耐磨性。
一、炭黑的化學(xué)活性對(duì)橡膠性能的影響
炭黑的化學(xué)活性在增強(qiáng)橡膠性能中起著重要的作用。實(shí)驗(yàn)證明，化學(xué)活性大的炭黑具有較大的增強(qiáng)作用;化學(xué)活性低的炭黑(如石墨化炭黑)的增強(qiáng)作用很小。這是因?yàn)榛瘜W(xué)活性大的炭黑表面活性點(diǎn)多，煉膠和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。炭黑和橡膠形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)賦予硫化膠強(qiáng)度。
炭黑的化學(xué)活性越大，混煉時(shí)生成的結(jié)合橡膠數(shù)量越多，從而使膠料的門尼粘度提高，壓出時(shí)口型膨脹率和半成品收縮率加大，壓出速度減慢。而硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性等越高。化學(xué)活性大的炭黑表面活性點(diǎn)多，煉膠和硫化過程中與橡膠分子反應(yīng)生成的結(jié)合橡膠數(shù)量多，從而提高了橡膠的整體性能。
二、炭黑的粒徑對(duì)橡膠性能的影響
炭黑的粒徑是影響其補(bǔ)強(qiáng)性能的第二個(gè)重要因素。由于炭黑的活性點(diǎn)存在于其表面，因此炭黑粒子越小，比表面積就越大，相同質(zhì)量炭黑的活性點(diǎn)也越多，這就能更好地發(fā)揮炭黑對(duì)橡膠的化學(xué)結(jié)合和物理吸附作用，從而提高了補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。
炭黑的粒徑越小，硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、耐磨性、硬度越高，耐屈撓龜裂性越好，回彈性和扯斷伸長(zhǎng)率減小。這是因?yàn)樾×降奶亢诹Ｗ幽軌蚋鶆虻胤稚⒃谙鹉z基質(zhì)中，形成更密集的填充網(wǎng)絡(luò)，從而提高了橡膠的強(qiáng)度和耐磨性。然而，粒徑過小會(huì)導(dǎo)致粒子間聚凝力大，易結(jié)團(tuán)，混煉時(shí)分散困難，使可塑性下降，壓出性能降低。
三、炭黑的結(jié)構(gòu)性對(duì)橡膠性能的影響
炭黑的結(jié)構(gòu)性是影響其補(bǔ)強(qiáng)性能的第三個(gè)重要因素。高結(jié)構(gòu)炭黑的聚熔體形態(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。由于炭黑聚熔體能阻礙被吸留的橡膠分子鏈變形，因而對(duì)硫化膠的定伸應(yīng)力、硬度等性能的提高有顯著作用。
同時(shí)，吸留橡膠的形成對(duì)提高炭黑在混煉時(shí)的分散性以及改善壓出操作性能等方面也起著顯著的作用。高結(jié)構(gòu)炭黑能使壓出口型膨脹率和半成品收縮率減小，半成品挺性大，且表面光滑。炭黑的結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶和非結(jié)晶橡膠的增強(qiáng)性能有不同的影響，主要表現(xiàn)在對(duì)拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的影響上。
四、炭黑對(duì)橡膠耐磨性的提升效果
炭黑增強(qiáng)橡膠耐磨性的科學(xué)原理主要?dú)w因于兩個(gè)方面：一是炭黑微粒的高硬度和耐磨性，它們能夠在橡膠表面形成一層堅(jiān)硬的保護(hù)層，抵抗外部磨損;二是炭黑微粒與橡膠基質(zhì)之間的強(qiáng)大結(jié)合力，這種結(jié)合力能夠有效傳遞應(yīng)力，防止橡膠在磨損過程中發(fā)生撕裂或斷裂。
炭黑微粒能夠均勻地分散在橡膠基質(zhì)中，形成密集的填充網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅增加了橡膠的硬度，還為其提供了更好的抗磨損性能。當(dāng)炭黑微粒被添加到橡膠中時(shí)，它們與橡膠分子之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，包括物理吸附和化學(xué)鍵合，使得炭黑微粒能夠緊密地結(jié)合在橡膠基質(zhì)中，從而增強(qiáng)了橡膠的整體結(jié)構(gòu)。
炭黑微粒的高硬度和耐磨性能夠在橡膠表面形成一層堅(jiān)硬的保護(hù)層，這層保護(hù)層能夠抵抗外部磨損，延長(zhǎng)橡膠的使用壽命。此外，炭黑微粒與橡膠基質(zhì)之間的強(qiáng)大結(jié)合力能夠有效傳遞應(yīng)力，防止橡膠在磨損過程中發(fā)生撕裂或斷裂，進(jìn)一步提高了橡膠的耐磨性。
五、炭黑在橡膠制品中的應(yīng)用
炭黑在橡膠制品中的應(yīng)用十分廣泛，特別是在輪胎制造中。橡膠輪胎里添加炭黑的作用是增加橡膠的強(qiáng)度、增強(qiáng)耐磨性。沒有增強(qiáng)的橡膠，其強(qiáng)度是很低的，而炭黑是很好的補(bǔ)強(qiáng)劑。這也是為什么汽車的輪胎都是黑色的原因。
橡膠輪胎中的炭黑又分為高耐磨、補(bǔ)強(qiáng)、半補(bǔ)強(qiáng)幾個(gè)品種。高耐磨炭黑主要用于制造需要高耐磨性能的輪胎，如賽車輪胎;補(bǔ)強(qiáng)炭黑則用于提高輪胎的整體強(qiáng)度和耐久性;半補(bǔ)強(qiáng)炭黑則用于一些對(duì)耐磨性和強(qiáng)度要求不那么高的輪胎。
炭黑在橡膠輪胎中的應(yīng)用不僅提高了輪胎的耐磨性和強(qiáng)度，還拓展了橡膠在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。例如，在輸送帶、傳動(dòng)帶、密封件等橡膠制品中，炭黑也起到了重要的增強(qiáng)作用。
六、總結(jié)
炭黑作為一種重要的橡膠填料，通過其獨(dú)特的物理特性和與橡膠的相互作用，顯著提高了橡膠的力學(xué)性能和耐磨性。炭黑的化學(xué)活性、粒徑和結(jié)構(gòu)性是影響其補(bǔ)強(qiáng)性能的關(guān)鍵因素。通過合理選擇和調(diào)整炭黑的種類和用量，可以進(jìn)一步優(yōu)化橡膠制品的性能，滿足各種應(yīng)用需求。
