橡膠炭黑應(yīng)用全解

對炭黑稍有了解的人都知道炭黑按性能區(qū)分有“補強炭黑”、“導電炭黑”、“耐磨炭黑”等。炭黑可作黑色染料，用于制造中國墨、油墨、油漆等，也可以應(yīng)用于化學纖維和塑料……其實，炭黑用量多的行業(yè)還是橡膠行業(yè)，那么炭黑在橡膠中應(yīng)用的知識有哪些呢?

一、什么是橡膠炭黑

    我們首先要了解橡膠炭黑是什么，橡膠炭黑其實就是橡膠用炭黑，這并不是一個嚴格意義上的概念，而只是主要用在橡膠制品中，具有一些可以統(tǒng)計的、標準化的特性的一類炭黑產(chǎn)品，是一個相對特種炭黑(用于油墨、涂料等)而言的概念。但并非說橡膠炭黑就只能用在橡膠制品上，實際上很多塑料制品等產(chǎn)品中，也利用橡膠炭黑著色性能進行產(chǎn)品加工。

二、炭黑在橡膠工業(yè)上的應(yīng)用有哪些

       綜合查閱資料發(fā)現(xiàn)，橡膠工業(yè)使用的炭黑約占整個炭黑產(chǎn)量的90%。主要用于汽車輪胎、拖拉機輪胎、飛機輪胎、力輪胎、自行車輪胎等各種類型的輪胎。每個普通的汽車輪胎都需要大約10公斤的炭黑。橡膠炭黑中約有四分之三用于輪胎制造，其余用于其他橡膠制品，如膠帶、橡膠軟管、橡膠鞋等。在橡膠制品行業(yè)，炭黑的消耗量約占橡膠消耗量的40~50%。

      炭黑在橡膠中的用量之所以這樣多，是由于它具有優(yōu)異的所謂“補強”能力。炭黑的這種“補強”能力早在1914年就首先在膠中發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在已經(jīng)證實，對于合成橡膠，炭黑的補強能力起著更加重要的作用。炭黑補強的重要的標志是改進輪胎胎面的磨耗性能，配合30%補強炭黑的輪胎可以行駛4.8～6.4萬公里;而填充等量的惰性或非補強性填充劑代替炭黑，其行駛里程僅為4800公里。除此以外，補強的炭黑還能提高橡膠制品的抗張強度和抗撕裂強度等物理機械性能。比如，在膠或氯丁膠等結(jié)晶性橡膠中加入補強炭黑比未加入炭黑的硫化膠的抗張強度可以提高1～1.7倍左右;在丁苯膠或丁腈膠等非結(jié)晶橡膠中則可提高到4～12倍左右。

   在橡膠工業(yè)中，要根據(jù)制品的用途和使用條件不同，確定炭黑品種及其配合量。例如，對于輪胎胎面，首先要考慮耐磨性，因此需要高補強性炭黑，如超耐磨爐黑、中超耐磨爐黑或高耐磨爐黑等;而胎面和胎體膠料則要求滯后損失小、生熱低的炭黑。

輪胎各部位：

三、橡膠用炭黑不同的類型劃分

     橡膠用炭黑—橡膠用炭黑原來是按粒徑大小來分類的，但后來改為按氮表面積分類。此外，命名時把炭黑顏料的硫化速度和結(jié)構(gòu)等因素也考慮進去了，由4個系統(tǒng)構(gòu)成。英文字母代表膠料的硫化速度，以N代表正常硫化速度，S代表緩慢硫化速度。后面3個為阿拉伯數(shù)字。數(shù)字代表炭黑氮表面積范圍，共列為0~9個等級。第二和第三個數(shù)字則由美國材料試驗協(xié)會負責炭黑和術(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。

    命名系統(tǒng)是把炭黑膠料的硫化速度和結(jié)構(gòu)等因素考慮進去的，由4個系統(tǒng)構(gòu)成。字母代表英文字母代表膠料的硫化速度。N代表正常(normal)硫化速度，S代表緩慢(slow)硫化速度。后面 3個字母字母代表炭黑氮表而積范圍。第二個和第三個數(shù)字是反應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)程度。(這些都是由標準的)

不同型號的炭黑應(yīng)用：

      N330是應(yīng)用廣泛的高耐磨型爐黑。本品耐磨性比中超耐磨系列炭黑稍差，但優(yōu)于槽法炭黑。本品用于輪胎胎面、簾布膠、胎側(cè)及各種橡膠工業(yè)制品。本品是一種補強性能良好的炭黑，能賦予膠料較好的拉伸性能、抗撕裂性能、耐磨性和彈性。使用本品的乘用胎的滾動損失在N300系列中僅大于N351，比其他品種都小，在膠料中分散和壓出性能也好，適用于各種合成橡膠和橡膠。

        N220 適用于各種橡膠，耐磨性比N330高10%-20%，能賦予膠粒膠高的拉伸強度抗撕裂強度，并有一定的導電性。主要用于載重胎、乘用胎的胎面膠，及需要高強度、高耐磨的橡膠制品。

       N550 適用于橡膠和各種合成橡膠，易分散，能賦予膠料較高的挺性，壓出速度快，口型膨脹小，壓出表面光滑。硫化膠的高溫性能及導熱性能良好，補強性能、彈性和復原性亦較住，主要用于輪胎簾布膠、胎側(cè)、內(nèi)胎及壓出、壓延制品膠料中。

     N660 本品適用于各種橡膠，與半補強碳黑相比，具有較高的結(jié)構(gòu)，粒子較細，在膠料中易分散，硫化膠的拉伸強度、抗撕裂強度和定仲應(yīng)力較高，而變形小，生熱低，彈性和耐屈擾性能良好。主要用于胎輪簾膠布、內(nèi)胎、自行車、膠管、膠帶、電纜、鞋類及壓延制品、模型制品等。

     N234 耐磨性比 N220約高10%，在高苛刻度下使用，更能顯示出良好的耐磨性能。主要用于高速輪胎而膠和高質(zhì)量的橡膠制品。

     N326 在橡膠中具有較高的拉伸強度、抗撕裂強度、耐磨性及抗蹦裂性能。主要用于要求強度高，生熱低的輪胎(包括越野胎)胎面膠，也適用于輸送帶、密封制品及其他高質(zhì)量橡膠工業(yè)制品。

      N339 在胎面膠料中的補強性能、耐磨性能及抗裂口增長性能近于N220 炭黑，特別適用于丁苯橡膠與順丁并用體系。主要用于乘用胎、卡車胎胎面膠，輸送帶、膠管及各種要求耐磨性高的橡膠工業(yè)制品。

      N375與N339性能基本相同，生熱比 N339稍低。主要用于轎車胎、載重胎及越野胎胎面膠。

    N550 適用于橡膠和各種合成橡膠，易分散，能賦予膠料較高的挺性，壓出速度快，口型膨脹小，壓出表面光滑。硫化膠的高溫性能及導熱性能良好，補強性能、彈性和復原性亦較佳。主要用于輪胎簾布膠、胎側(cè)、內(nèi)胎及壓出、壓延制品膠料中。

      N539 使用于本品的膠料，其壓出表面光滑，口型膨脹小，硫化膠的拉伸強度和伸長率較高，定伸應(yīng)力較N550 低，彈性和耐疲勞性能均較好。主要用于輪胎胎體膠料，尤其適用于以橡膠為主的緩沖層膠料，亦可用于輪胎基部膠料、膠帶覆蓋和其它橡膠制品及電線、電纜護套料中。

      N660 本品適用于各種橡膠，與半補強碳黑相比，具有較高的結(jié)構(gòu)，粒子較細，在膠料中易分散，硫化膠的拉伸強度、抗撕裂強度和定伸應(yīng)力較高，而變形小，生熱低，彈性和耐屈擾性能良好。主要用于胎輪簾膠布、內(nèi)胎、自行車、膠管、膠帶、電纜、鞋類及壓延制品、模型制品等。

     N990 本品的物化性質(zhì)與相似，只是氮吸附比表面積稍低。吸收值稍高，為造粒產(chǎn)品，其抽出物小于。本品也有超純級產(chǎn)品。本品主要用作橡膠塑料的填充劑，也可用于冶金行+業(yè)作為碳化鎢產(chǎn)品的原料或耐高溫的絕熱材料，還原劑等。在膠料中大量配合木品，并不影響膠料的粘合性，當配合量達到份時，可得到皮革樣的橡膠制品。使用本品的膠料加工容易，不影響硫化。硫化膠的硬度小，生熱低，變形小，耐曲撓，耐老化性能好。

     炭黑(N234)產(chǎn)品用途：用于輪胎胎面、表面補胎條、汽車橡膠件、傳送帶、傳送墊等，用此炭黑的硫化膠顯示出優(yōu)良的強伸和耐磨性能。

四、橡膠炭黑用量的選擇

      橡膠炭黑具有很強的補強作用，所以運用在橡膠制品中可以增強橡膠的耐磨性和抗滑性，因此橡膠炭黑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橡膠制品中，尤其是在汽車輪胎上的應(yīng)用，當然了凡事都會有量的限制，橡膠與炭黑要有很好的比例，才能發(fā)揮出的效果，并不是在制作橡膠的過程中添加越多的橡膠炭黑就越好，如果橡膠炭黑的量添加過多，反而會起到反作用使它的強度下降，所以問題就來了，到底要在橡膠里添加多少的橡膠炭黑才能達到我們的效果呢?

     橡膠炭黑在膠料中的用量會直接影響硫化膠的性能，諸如強度、耐磨性、硬度、伸長率、耐屈撓性等，均有一個炭黑用量。所以，在配方設(shè)計時，炭黑用量的合理選擇是十分重要的。例如，硬度、定伸應(yīng)力、生熱等，均隨橡膠炭黑用量的增加而增加，而回彈性、膨脹率、伸長率、電阻率、耐屈撓性等，均隨炭黑用量的增加而降低。但拉伸強度、撕裂強度及耐磨性等，卻隨橡膠炭黑用量的增加而有一級大值。因此，應(yīng)根據(jù)要求的性能，抓住主要矛盾，兼顧其他，合理選擇炭黑用量。例如，為了提高膠料的耐磨耗性，選用細粒子橡膠炭黑時用量較少，而選用高結(jié)構(gòu)細粒子橡膠炭黑，用量還可減少，這樣就不至于因為用量過大而降低回彈性，有利于保持較高的耐屈撓龜裂性能喝回彈性，減少生熱，保證在實際使用中有較好的耐磨性能。

     一般的說，在膠料中橡膠炭黑聚集體間的相互作用開始急劇增加時的橡膠炭黑配合量為配合量，橡膠炭黑粒徑越小，表面活性越大，結(jié)構(gòu)越高，達到拉伸強度時的炭黑用量就趨于減少，通常炭黑用量在40-60份時既能賦予橡膠制品較好的性能指標。配合量，硬質(zhì)炭黑在20%-23%左右，軟質(zhì)炭黑在23%-26%左右。

    橡膠炭黑配合量對于不同橡膠，不同溫度是不相同的，對于結(jié)晶性橡膠來說，配合量是使橡膠分子鏈在大變形時易于取向生成結(jié)晶，因而橡膠炭黑用量較少;而對于非結(jié)晶型的丁苯橡膠而言，則是增加分子鏈間的吸引力，由此增加彈性體的強度，獲得補強效果，因而炭黑用量較多。另外，同一彈性體和同一填料，在混煉溫度為100℃時的填充量比20℃時的填充量大。

    橡膠炭黑比橡膠價格低，故一般配方傾向于多用橡膠炭黑。但是，如果橡膠炭黑用量過多，反而會使硫化膠的物理性能下降，達不到應(yīng)有的補強效果。一是由于相對減少了橡膠用量，二是由于分散性不好，削弱了橡膠和炭黑間的相互作用，所以強度下降。故應(yīng)該綜合考慮膠料的加工性、滯后性以及破壞特性，選用適當配合量。

     橡膠炭黑的填充量可用炭黑的DBP吸收值預(yù)先測定。例如，ISAF的DBP吸附值為1.25cm3/g，橡膠的相對密度為0.95，則100g炭黑至少可配合118g橡膠(1.25×0.95=1.18)，或是100g橡膠可容納85g炭黑(ISAF)。同理，低結(jié)構(gòu)炭黑容量可以更多。如果炭黑填充量過多，則容易結(jié)團，無法進一步分散。實際上，只有炭黑母煉膠才能達到如此高的炭黑濃度。

      在確定橡膠炭黑的填充量的時候，還要考慮到在混煉過程中的溫度，以此來確定的配比量，切記千萬不可過多的添加橡膠炭黑，這樣會影響到硫化膠的物理性能，會消減橡膠炭黑與橡膠之間的相互作用，使生產(chǎn)出來的橡膠制品拉伸強度下降，因為過多使用橡膠炭黑時會使炭黑的分散不夠均勻出現(xiàn)凝聚。

五、炭黑的性能對橡膠的性能都有哪些影響

我們可以通過圖表更直觀地了解一下炭黑粒徑、結(jié)構(gòu)和用量對橡膠主要性能的影響：

    1.炭黑的化學活性與橡膠的性能有關(guān)。炭黑的化學活性在增強性能中起著重要的作用。實驗證明，化學活性大的炭黑具有較大的增強作用;化學活性低的炭黑(如石墨化炭黑)的增強作用很小。這是因為化學活性大的炭黑表面活性點多，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)賦予硫化膠強度。因此，炭黑的化學活性是增強性能基本的因素，被稱為影響炭黑增強性能的因素(或強度因素)。

    炭黑的化學活性越大，混合過程中產(chǎn)生的結(jié)合橡膠越多，提高了橡膠材料的門尼粘度，增加了口腔膨脹率和半成品收縮率，減緩了壓縮速度。硫化膠的拉伸強度.撕裂強度.耐磨性越高。

     經(jīng)研究，在炭黑表面的活性點中，含氧官能團對不飽和橡膠的增強作用很小，這也是現(xiàn)代爐炭黑發(fā)展較少使用槽炭黑的原因之一。但含氧官能團對高飽和度橡膠(如丁基橡膠)的增強作用較大。

      2.由于炭黑的活性點存在于炭黑表面，炭黑粒子越小，比表面積越大，相同質(zhì)量炭黑的活性點越多，可以更好地發(fā)揮炭黑對橡膠的化學結(jié)合和物理吸附作用，提高增強效果。因此，炭黑的粒徑是影響炭黑增強性能的第二個因素，即廣度因素。

    炭黑粒徑越小，硫化膠的拉伸強度越小.撕裂強度.定伸應(yīng)力.耐磨性.硬度越高，抗彎裂性越好，回彈性和斷裂伸長率降低。但如果粒徑過小，由于粒子間凝聚力大，容易結(jié)塊，混合時難以分散，可塑性降低，壓縮性能降低。

     3.炭黑的結(jié)構(gòu)性能與橡膠性能的關(guān)系炭黑的結(jié)構(gòu)性能是影響炭黑增強性能的第三個因素，即形狀因素。這是因為高結(jié)構(gòu)炭黑，其聚熔體形狀復雜，樹枝多，內(nèi)部間隙大，與橡膠混合時，形成更多的吸收橡膠(或包容性橡膠)。由于炭黑聚熔體阻礙了被吸收橡膠分子鏈的變形，因此硫化膠的固定伸長應(yīng)力.硬度等性能的提高起著重要的作用，從而體現(xiàn)了增強功能。同時，吸留橡膠的形成對提高碳黑在混合過程中的分散性和壓出操作性能也起著重要的作用。即使壓出口膨脹率和半成品收縮率降低，半成品也具有很大的挺拔性和光滑的表面。

     炭黑的結(jié)構(gòu)對結(jié)晶和非結(jié)晶橡膠的增強性能有不同的影響。主要表現(xiàn)在對拉伸強度和撕裂強度的影響上。一般規(guī)律是：當粒徑相同時，高結(jié)構(gòu)炭黑對非結(jié)晶橡膠的增強作用較大，一般具有較高的拉伸強度和撕裂強度，這是由于炭黑結(jié)構(gòu)提高了非結(jié)晶橡膠的結(jié)晶傾向。結(jié)構(gòu)較低的炭黑更有利于提高結(jié)晶橡膠的拉伸強度和撕裂強度，主要是由于結(jié)構(gòu)較低時吸留的橡膠較少，有利于橡膠的延伸結(jié)晶。

     此外，炭黑的結(jié)構(gòu)性能也是影響橡膠導電性能的重要因素。結(jié)構(gòu)越高，導電性越好。這可以簡單地解釋為炭黑聚熔體的鏈枝結(jié)構(gòu)容易在橡膠中形成交織的導電通路，從而提高了導電性能。

      4.炭黑的表面粗糙度與橡膠性能有關(guān)。炭黑的表面粗糙度會對炭黑的增強性能產(chǎn)生不利影響，降低橡膠材料的工藝性能。當炭黑粒徑相同時，增加表面粗糙度會降低增強性能，因為橡膠分子鏈不能只進入零點nm在炭黑表面孔隙中，減少了炭黑與橡膠相互作用的有效表面積，減少了增強作用。其結(jié)果表現(xiàn)為硫化膠的拉伸強度.定伸應(yīng)力.耐磨性.抗屈撓龜裂性能下降，但回彈性下降.提高了拉伸伸長率和抗撕裂性。