炭黑在橡膠中的分散及其補強機理

　　從粒徑、結構程度、表面活性及工藝分散性能四個方面進行解析：

　　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體被分散到橡膠中達到最勻化時，所形成的炭黑—橡膠網絡結構最為密集堅固，但實際上這種理想狀態很難實現，特別是兩種以上的炭黑并用時，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聚力的影響，正常情況下很難以單個粒子形態存在，即便是使用超聲波對其進行處理后，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的內吸附能和對橡膠的較差的濕潤能力，導致在橡膠中的分散速度較慢。但這些彼此粘結到一起、具備強大比表面積的納米級炭黑粒子一旦被機械力強行分散后便會立即對橡膠大分子進行捕捉吸附、滾動纏繞，最終形成均勻、致密的橡膠-炭黑空間網絡，所以小粒徑炭黑能賦予硫化橡膠以較高的強撕性與耐磨耗等性能。

　　大粒徑(50納米以上)炭黑經超聲波分散后，在放大7萬倍的電子顯微鏡下可清晰的觀察到，炭黑基本以單個粒子形式出現，粒子間的邊界比較清晰，粒子形態為圓形或不規則的橢圓形。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—橡膠網絡稀疏，加之因粒徑分布較寬導致的網絡不勻，致使硫化膠的強撕性能較為低下。

　　2、粒徑相同時，高結構炭黑的分散性優于低結構炭黑

　　高結構炭黑枝鏈化的空間效應，降低了粒子間的內聚能，因此、粒徑相同時，高結構炭黑比低結構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律

　　3、表面活性與反應特征

　　炭黑的生成，是由烴類物質(油類或天然氣等碳氫化合物)被噴入進反應爐時，在1300-1600℃高溫條件下，經過裂解和聚集而完成了由液、氣態到固態的相轉變。由于原料和生產工藝不同,裂解與聚集的過程也不同，因此生產出的炭黑，除了粒徑與結構程度不同外，其表面結構和表面基團的差異也很大,各種官能團的存在方式、位置和相對數量都不相同。

　　N234反應溫度高、比表面積大，雖然每100m2表面積上所擁有的含氧基團數較少，但每單位重量的含氧基團卻高于通用炭黑三倍多。這是因為新工藝、小粒徑的N234炭黑在高溫下反應的比較完全，導致表面氫含量較少。又因為火焰中含氧比較豐富而形成較多的表面含氧基團。這些氫原子與活性基團能全部分散在其巨大的比表面上?；鞜挄r很容易被激活而與橡膠大分子形成化學交鏈鍵，這些化學交鏈點會影響炭黑的分散速度與擴散方向。

　　通用炭黑的反應溫度低、反應時間長(老工藝反應爐)，因不完全燃燒使剩余的氫不僅存在于粒子表面上，還夾雜于粒子內部，但含氧基團卻較少。通用炭黑與橡膠只能形成物理纏結，很少有化學結合。所以GPF補強的硫化膠雖然伸長率較大(物理纏結賦予橡膠大分子鏈以可逆性伸長與回縮)，但定伸與拉伸強度卻較低。

　　4、工藝分散性能

　　按照補強理論，炭黑對橡膠的補強主要取決于炭黑的粒徑、結構程度、表面活性三要素。需要強調的是：再好的炭黑，如果不把它均勻的分散在橡膠中，是無法發揮其補強作用的，因此，炭黑在橡膠中的分散性能及其分散后的分布狀態和結構，直接關系到硫化膠的物理機械性能。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會有很大的差別。

　　(1)炭黑單用時在擴散方向上沒有阻礙，炭黑能沿著作用力的方向在橡膠中滾動—擴散—吸附—纏繞，最終形成均勻的炭黑網絡結構,有利于充分發揮炭黑應有的補強效果。

　　(2)兩種以上的碳黑并用時，粒徑大的炭黑(或高結構炭黑)首先向四周擴散，以先入為主的方式搶占了較長的橡膠分子鏈進行纏繞結合;當較小粒徑的炭黑粒子掙脫內聚力開始向外擴散時，便會受到大粒經炭黑—橡膠結合體的阻礙，無法形成均勻的網絡結構，甚至會造成有一部分被窩藏在大粒徑炭黑與橡膠結合體的夾縫中，非但不能起到補強作用，還會因體系中包藏有未分散的炭黑結團導致了混煉膠體系的不均勻性而降低了硫化膠的物性。

　　在實際應用中，最好根據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，應選擇結構程度高、粒徑小的新工藝炭黑N234、N299等;內胎膠要求柔軟、工藝擠出性能好，應選擇粒徑較大的軟質炭黑N660、N770等。國外橡膠配方手冊中，特別是輪胎部分，很少出現炭黑并用個例，而國內炭黑并用現象則比比皆是。

　　國外輪胎廠制造優質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…如此反復八遍。國內一般采用兩段，三段則極為罕見。

　　結語：

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

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