炭黑在橡膠中的分散及其補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理

　　從粒徑、結(jié)構(gòu)程度、表面活性及工藝分散性能四個(gè)方面進(jìn)行解析：

　　1、炭黑的粒徑大小對其在橡膠中的分散性能影響最大

　　讓材料發(fā)揮最佳性能的措施之一，是將各種原材料最大程度的分散到橡膠中去。炭黑在橡膠中的分散性能受粒徑大小的影響最大。理論上炭黑粒子以孤立個(gè)體被分散到橡膠中達(dá)到最勻化時(shí)，所形成的炭黑—橡膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為密集堅(jiān)固，但實(shí)際上這種理想狀態(tài)很難實(shí)現(xiàn)，特別是兩種以上的炭黑并用時(shí)，更增加了最勻化程度的難度。

　　小粒徑炭黑(30nm以下)如高耐磨、中超耐磨炭黑因受內(nèi)聚力的影響，正常情況下很難以單個(gè)粒子形態(tài)存在，即便是使用超聲波對其進(jìn)行處理后，在放大10萬倍的電子顯微鏡下觀察到的仍然是粒子間互相粘連、擁擠到一起，邊界模糊，很難找到獨(dú)自存在的粒子。由此而見，足夠小的炭黑粒徑賦予了炭黑以較強(qiáng)的內(nèi)吸附能和對橡膠的較差的濕潤能力，導(dǎo)致在橡膠中的分散速度較慢。但這些彼此粘結(jié)到一起、具備強(qiáng)大比表面積的納米級(jí)炭黑粒子一旦被機(jī)械力強(qiáng)行分散后便會(huì)立即對橡膠大分子進(jìn)行捕捉吸附、滾動(dòng)纏繞，最終形成均勻、致密的橡膠-炭黑空間網(wǎng)絡(luò)，所以小粒徑炭黑能賦予硫化橡膠以較高的強(qiáng)撕性與耐磨耗等性能。

　　大粒徑(50納米以上)炭黑經(jīng)超聲波分散后，在放大7萬倍的電子顯微鏡下可清晰的觀察到，炭黑基本以單個(gè)粒子形式出現(xiàn)，粒子間的邊界比較清晰，粒子形態(tài)為圓形或不規(guī)則的橢圓形。因此大粒徑炭黑比較容易被分散到橡膠中去，只是單位重量炭黑所形成的炭黑—橡膠網(wǎng)絡(luò)稀疏，加之因粒徑分布較寬導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不勻，致使硫化膠的強(qiáng)撕性能較為低下。

　　2、粒徑相同時(shí)，高結(jié)構(gòu)炭黑的分散性優(yōu)于低結(jié)構(gòu)炭黑

　　高結(jié)構(gòu)炭黑枝鏈化的空間效應(yīng)，降低了粒子間的內(nèi)聚能，因此、粒徑相同時(shí)，高結(jié)構(gòu)炭黑比低結(jié)構(gòu)炭黑更容易被分散到橡膠中去。新工藝炭黑N234、N229的粒徑分別小于相同級(jí)別的中超耐磨，但吃粉速度卻快于后者，N339與高耐磨炭黑也是相同規(guī)律

　　3、表面活性與反應(yīng)特征

　　炭黑的生成，是由烴類物質(zhì)(油類或天然氣等碳?xì)浠衔?被噴入進(jìn)反應(yīng)爐時(shí)，在1300-1600℃高溫條件下，經(jīng)過裂解和聚集而完成了由液、氣態(tài)到固態(tài)的相轉(zhuǎn)變。由于原料和生產(chǎn)工藝不同,裂解與聚集的過程也不同，因此生產(chǎn)出的炭黑，除了粒徑與結(jié)構(gòu)程度不同外，其表面結(jié)構(gòu)和表面基團(tuán)的差異也很大,各種官能團(tuán)的存在方式、位置和相對數(shù)量都不相同。

　　N234反應(yīng)溫度高、比表面積大，雖然每100m2表面積上所擁有的含氧基團(tuán)數(shù)較少，但每單位重量的含氧基團(tuán)卻高于通用炭黑三倍多。這是因?yàn)樾鹿に?、小粒徑的N234炭黑在高溫下反應(yīng)的比較完全，導(dǎo)致表面氫含量較少。又因?yàn)榛鹧嬷泻醣容^豐富而形成較多的表面含氧基團(tuán)。這些氫原子與活性基團(tuán)能全部分散在其巨大的比表面上?；鞜挄r(shí)很容易被激活而與橡膠大分子形成化學(xué)交鏈鍵，這些化學(xué)交鏈點(diǎn)會(huì)影響炭黑的分散速度與擴(kuò)散方向。

　　通用炭黑的反應(yīng)溫度低、反應(yīng)時(shí)間長(老工藝反應(yīng)爐)，因不完全燃燒使剩余的氫不僅存在于粒子表面上，還夾雜于粒子內(nèi)部，但含氧基團(tuán)卻較少。通用炭黑與橡膠只能形成物理纏結(jié)，很少有化學(xué)結(jié)合。所以GPF補(bǔ)強(qiáng)的硫化膠雖然伸長率較大(物理纏結(jié)賦予橡膠大分子鏈以可逆性伸長與回縮)，但定伸與拉伸強(qiáng)度卻較低。

　　4、工藝分散性能

　　按照補(bǔ)強(qiáng)理論，炭黑對橡膠的補(bǔ)強(qiáng)主要取決于炭黑的粒徑、結(jié)構(gòu)程度、表面活性三要素。需要強(qiáng)調(diào)的是：再好的炭黑，如果不把它均勻的分散在橡膠中，是無法發(fā)揮其補(bǔ)強(qiáng)作用的，因此，炭黑在橡膠中的分散性能及其分散后的分布狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到硫化膠的物理機(jī)械性能。顯然炭黑單用與不同品種的炭黑并用，其分散過程與分布狀態(tài)會(huì)有很大的差別。

　　(1)炭黑單用時(shí)在擴(kuò)散方向上沒有阻礙，炭黑能沿著作用力的方向在橡膠中滾動(dòng)—擴(kuò)散—吸附—纏繞，最終形成均勻的炭黑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),有利于充分發(fā)揮炭黑應(yīng)有的補(bǔ)強(qiáng)效果。

　　(2)兩種以上的碳黑并用時(shí)，粒徑大的炭黑(或高結(jié)構(gòu)炭黑)首先向四周擴(kuò)散，以先入為主的方式搶占了較長的橡膠分子鏈進(jìn)行纏繞結(jié)合;當(dāng)較小粒徑的炭黑粒子掙脫內(nèi)聚力開始向外擴(kuò)散時(shí)，便會(huì)受到大粒經(jīng)炭黑—橡膠結(jié)合體的阻礙，無法形成均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，甚至?xí)斐捎幸徊糠直桓C藏在大粒徑炭黑與橡膠結(jié)合體的夾縫中，非但不能起到補(bǔ)強(qiáng)作用，還會(huì)因體系中包藏有未分散的炭黑結(jié)團(tuán)導(dǎo)致了混煉膠體系的不均勻性而降低了硫化膠的物性。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，最好根據(jù)橡膠制品的物性要求，如胎面膠要求具有較高的定伸與硬度，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)程度高、粒徑小的新工藝炭黑N234、N299等;內(nèi)胎膠要求柔軟、工藝擠出性能好，應(yīng)選擇粒徑較大的軟質(zhì)炭黑N660、N770等。國外橡膠配方手冊中，特別是輪胎部分，很少出現(xiàn)炭黑并用個(gè)例，而國內(nèi)炭黑并用現(xiàn)象則比比皆是。

　　國外輪胎廠制造優(yōu)質(zhì)膠的方法是采用多段混煉法來提高原材料的分散性，意大利的皮列里公司采用了八段混煉法，即一次混煉、停放;二次捏煉、停放;三次捏煉…如此反復(fù)八遍。國內(nèi)一般采用兩段，三段則極為罕見。

　　結(jié)語：

　　炭黑與橡膠共混的過程，是一種很復(fù)雜的力混合與力化學(xué)過程，由于不同品種的炭黑具有不同的粒徑、結(jié)構(gòu)形態(tài)與表面活性，它們的混合過程和與橡膠的結(jié)合方式也大不相同，如果并用的話，極有可能引起分散過程的阻尼與炭黑—橡膠結(jié)構(gòu)的不均勻性，導(dǎo)致硫化膠性能的整體下滑。

　　建議同一種混煉膠對應(yīng)選用一種炭黑，同時(shí)采用多段混煉方法以達(dá)到材料利用率的最大化。