炭黑对橡胶的补强与填充

　　 炭黑： 由许多烃类物质 (固态、 液态或 气态)经不完全燃烧或裂解生成的具 有高度分散性的黑色粉末物质， 主要 由碳元素组成， 是近乎球形的胶体粒 子，而这些粒子大都熔结成形状不规则的聚集体( aggregate)。

　　一、炭黑的生产工艺方法

　　槽法炭黑是唯一可用于与食品接触的橡胶用炭黑品种。

　　热裂法炭黑 粒子Z大、结构Z低。

　　二、炭黑的分类与命名

　　三、炭黑的性质及技术指标

　　1.炭黑的粒径及分布 :

　　单颗炭黑粒子或聚集体中原生粒子的平均粒径大小，单位常为 nm。炭黑工业常用的平均粒径有 算术平均粒径 和表面平均粒径 两种。

　　2、炭黑的比表面积及表面粗糙度

　　炭黑比表面积 ：指单位质量或单位体积( 真实体积)中炭黑粒子的总表面积。粒径 小，比表面积大。

　　炭黑比表面积的测定方法 : 

　　(1)电子显微镜法( SE)

　　(2)BET 法(低温氮吸附法， SN)

　　(3)碘吸附法(在碘—碘化钾溶测中炭黑吸附碘的能力)

　　(4) CTAB 大分子吸附法(十六烷基三甲基溴化铵)

　　表面粗糙度 ：指炭黑粒子在形成过程中， 因粒子表面发生氧化侵蚀所形成的孔洞的多少，即氧化程度，也称炭黑的孔隙度。用粗糙度系数 K 表示。

　　表面粗糙度高的炭黑含氧基团多， 多呈酸性， 能迟延硫化速度， 增加吸水性， 降低补强效果。

　　四、炭黑的结构度

　　1.炭黑的微观结构：烃裂解出的碳原子通过碰撞等作用形成正六边形的碳核，碳核继续增长形成层面， 3～ 5 个层面平行等距排列 组成一个微晶体。是准石墨晶体，且晶体中平行层面间距稍大于石墨晶体。

　　2、炭黑的一次结构：炭黑聚集体( aggregate)，又称为基本聚熔体或原生结构，它是炭黑的Z小结构单元。

　　3、炭黑的二次结构：又称为附聚体、凝聚体或次生结构，它是炭黑聚集体间以范德华力相互聚集形成的空间网状结构， 这种结构不太牢固， 在与橡胶混炼时易被碾压粉碎成为聚集体。

　　炭黑结构度及其测定方法

　　炭黑结构度 是指炭黑聚集体表面链枝状结构的发达程度，链枝数量多而长，结构度越高。

　　炭黑结构度的测定方法：视比容法(压缩法) ，DBP 吸油值法 ，压缩样 DBP 吸油值法

　　五、炭黑的表面性质

　　1.炭黑的化学组成

　　挥发分 (volatile matter) ：挥发分是将炭黑在隔离空气的条件下高温加热， 大部分炭黑能放出H2,CO,CO2 等气体，这便是挥发分。氧含量高时挥发分含量高，挥发分含量过高时(如槽法炭黑)会 迟延硫化 。

　　水分 (water content)：105℃下加热减量即为水分含量。炭黑的水分含量与周围环境的温度，湿度有关， 与炭黑的比表面积， 孔隙度， 氧含量等有关。在标准气压下氧含量高的炭黑其水分含量亦高。应用水分含量过大的炭黑，混炼时间长(剪切力降低)挤出易起海绵，硫化胶会产生气泡。

　　灰分 (ash)：炭黑的灰分主要来源于原料所含的灰分、设备锈蚀，急冷水所含的盐分和其它固体残渣。炭黑的灰分一 般不会引起硫化胶性能的改变，但灰分中若含 Cu,Mn,Fe 及其化合物(变价金属离子及其盐分)时会影响硫化胶的耐老化性能。550℃下灼烧。

　　2、炭黑的表面基团

　　六、炭黑的酸碱性

　　炉法炭黑显弱碱性， 槽法炭黑显酸性。酸性炭黑硫化速度偏慢， 碱性炭黑硫化速度较快。

　　七、炭黑的结合橡胶及包容胶

　　1. 结合橡胶：也称为炭黑凝胶( bound- rubber)，是指炭黑混炼胶中不能被它的良溶剂溶解的那部分橡胶。

　　2. 包容橡胶 ：又称吸留橡胶，是指在炭黑聚集体链枝状结构中屏蔽(包藏)的那部分橡胶。包容胶的形成影响炭黑在橡胶中的添加量。

　　八、炭黑对橡胶加工性能的影响

　　1. 炭黑性质对混炼( mixing)的影响：

　　(1)炭黑性质对混炼吃料及分散的影响

　　炭黑的粒径小，结构高，用量大 吃料慢; 炭黑的粒径小，结构低，用量大 分散差;

　　(2)炭黑性质对混炼胶粘度的影响

　　炭黑粒子小、结构度高、用量大、表面活性高，粘度高。

　　(3)炭黑性质对混炼生热及能耗的影响

　　炭黑粒子小、结构度高、用量大、表面活性高，生热高。

　　炭黑粒子小、结构度高、用量大，混炼能耗大。

　　(4)炭黑对胶料包辊性的影响

　　在吃炭黑过程中，胶料的包辊性下降;炭黑被吃进去以后，可以改善包辊性。

　　1. 炭黑性质对硫化( curing)的影响

　　pH 值低，迟延硫化;pH 值高，胶料易焦烧，硫化速度快。

　　炭黑粒径小，结构高，易焦烧，硫化速度快。

　　2 炭黑对胶料自粘性( autohension)影响

　　炭黑粒径小，表面活性大，结构度高，胶料的自粘性好。 随炭黑用量增大，胶料的自粘性先增大后下降。

　　3.炭黑性质对压延( calendering)的影响

　　炭黑的粒径小，结构度高，压延收缩率小

　　4.炭黑性质对压出( extruding)的影响

　　炭黑的结构性高， 混炼胶的压出工艺性能较好， 口型膨胀率小，半成品表面光滑，压出速度快。

　　九、炭黑对橡胶的补强机理

　　应力软化效应：试样拉伸到一定长度( L)后除掉外力，在间隔较短的时间后再次拉伸到相同长度时，拉伸力小于第一次拉伸力的现象。

　　十、白炭黑对橡胶的补强

　　气相法白炭黑粒径 8～17nm

　　沉淀法白炭黑粒径 17～28nm

　　 补强：在橡胶中加入一种物质后， 使硫化胶的 耐磨性、 抗撕裂强度、 拉伸强度、 模量、抗 溶胀性等性能获得较大提高的行为。

　　 填充： 在橡胶中加入一种物质后，能够增大橡胶 的体积，降低制品的成本，改善加工工艺性能 ，而又不明显影响橡胶制品性能的行为。