炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠機(jī)理

    填料是橡膠工業(yè)的主要原料之一，屬粉體材料。填料用量相當(dāng)大，幾乎與橡膠本身用量相當(dāng)。在橡膠加工中又將填料分為補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑。

    橡膠的補(bǔ)強(qiáng)是指在橡膠中加入一種物質(zhì)后，能夠提升硫化橡膠的耐磨性、抗撕裂強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、模量、抗溶脹性等的行為。凡具有這種作用的物質(zhì)稱為補(bǔ)強(qiáng)劑。常用補(bǔ)強(qiáng)劑：炭黑、白炭黑、短纖維、無機(jī)納米材料等。

1.橡膠用炭黑

    炭黑是橡膠工業(yè)中最重要的補(bǔ)強(qiáng)性填料，可以毫不夸張的說，沒有炭黑工業(yè)就沒有現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的橡膠工業(yè)。按炭黑在橡膠中的作用將炭黑分為硬質(zhì)炭黑和軟質(zhì)炭黑。硬質(zhì)炭黑：粒徑在40nm以下，補(bǔ)強(qiáng)性能高的炭黑，如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。軟質(zhì)炭黑：粒徑在40nm以上，補(bǔ)強(qiáng)性低的炭黑，如半補(bǔ)強(qiáng)炭黑、熱裂法炭黑等。

    橡膠用炭黑一般按照ASIM-1765-81標(biāo)準(zhǔn)來分類命名。命名系統(tǒng)由四部分組成。第一個英文字母代表硫化速度，N代表正常硫化速度，S代表緩慢硫化速度。后面跟著三個數(shù)字，第一個代表炭黑平均粒徑范圍，共分為0~9個等級。第二和第三個數(shù)字則是由美國材料試驗協(xié)會負(fù)責(zé)炭黑和術(shù)語的D24.41委員會指定的，反映不同的結(jié)構(gòu)程度，也就是炭黑大概的高低結(jié)構(gòu)確定的，有一定的任意性。相對而言，數(shù)字越大，結(jié)構(gòu)越高。

ASIM的炭黑分類命名

2.炭黑補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理

    近半個世紀(jì)以來，人們對炭黑補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理曾進(jìn)行了廣泛的討論提出了多種補(bǔ)強(qiáng)學(xué)說。

容積效應(yīng)

弱鍵和強(qiáng)鍵學(xué)說

Bueche的炭黑粒子與橡膠鏈的有限伸長學(xué)說

殼層模型理論

橡膠大分子鏈滑動學(xué)說

    前四種機(jī)理雖然都能說明一定的問題，但有局限性。隨著時間進(jìn)展，專家們對機(jī)理不斷的深化完善，橡膠大分子滑動學(xué)說的炭黑補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理就是一個比較完善的理論。

（1）膠大分子鏈滑動學(xué)說

    這是比較新和比較全面的炭黑補(bǔ)強(qiáng)理論。該理論的核心是橡膠大分子能在炭黑表面上滑動，由此解釋了補(bǔ)強(qiáng)現(xiàn)象。炭黑粒子表面的活性不均一，有少數(shù)的活性點(diǎn)以及一系列的能量不同的吸附點(diǎn)。吸附在炭黑表面上的橡膠鏈可以有各種不同的結(jié)合能量，有多數(shù)弱的范德華力的吸附以致少量強(qiáng)的化學(xué)吸附。吸附的橡膠鏈段在應(yīng)力作用下會滑動伸長。

大分子滑動學(xué)說概念圖

（1）表示膠料原始狀態(tài)，長短不等的橡膠分子鏈被吸附在炭黑離子表面上。

（2）表示膠料伸長時狀態(tài)。這條最短的鏈不是斷裂而是沿炭黑表面滑動，原始狀態(tài)吸附的長度用點(diǎn)標(biāo)出，可看出滑動的長度。這時應(yīng)力有多數(shù)伸直的鏈承擔(dān)，起應(yīng)力均勻的作用，緩解應(yīng)力集中為補(bǔ)強(qiáng)的第一個重要因素。

（3）當(dāng)伸長再增大，鏈再滑動，使橡膠鏈高度取向，承擔(dān)大的應(yīng)力，有高的模量，為補(bǔ)強(qiáng)的第二個重要因素。由于滑動的摩擦使膠料有滯后損耗。損耗會消去一部分外力功，化為熱量，使橡膠不受破壞，為補(bǔ)強(qiáng)的重要因素。

（4）是收縮后膠料的狀況，表明再伸長時的應(yīng)力軟化效應(yīng)，膠料回縮后炭黑粒子間橡膠鏈的長度差不多一樣，再伸長就不需要再滑動一次，所需應(yīng)力下降。

3.炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠性能

    補(bǔ)強(qiáng)橡膠的目的是為了提高橡膠的拉伸性能、抗撕裂能力、定伸應(yīng)力和耐磨性等性能，使橡膠制品更有彈性，經(jīng)久耐用。炭黑主要通過炭黑粒徑的大小、結(jié)構(gòu)度、和用量來調(diào)節(jié)補(bǔ)強(qiáng)橡膠的效果。

（1）拉伸性能

炭黑粒徑小，表面活性大，結(jié)構(gòu)度高，拉伸強(qiáng)度高；隨炭黑用量增大，拉伸強(qiáng)度先增后降。

（2）撕裂強(qiáng)度

貪黑的粒徑小，撕裂強(qiáng)度高；粒徑相同時，對結(jié)晶性橡膠，結(jié)構(gòu)度低的碳黑，撕裂強(qiáng)度高；對非結(jié)晶性橡膠，結(jié)構(gòu)度高的炭黑，撕裂強(qiáng)度高；隨炭黑用量增大，撕裂強(qiáng)度先增后降。

（3）定伸應(yīng)力和硬度

炭黑粒徑小，結(jié)構(gòu)度高，表面活性大，用量大，膠料的定伸應(yīng)力和硬度高，其中以結(jié)構(gòu)度影響最大。炭黑對膠料定伸應(yīng)力和硬度的影響要比膠種、硫化體系大得多。

（4）耐磨性

炭黑粒徑小，表面活性大，分散性好，膠料耐磨性好。

（5）彈性

粒徑小、結(jié)構(gòu)度高、表面活性大，用量大，膠料的彈性差。其中炭黑用量影響最大。

由此可見，根據(jù)橡膠制品的不同選擇合適的炭黑種類對橡膠進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)至關(guān)重要。