炭黑补强橡胶机理

炭黑补强橡胶机理

    填料是橡胶工业的主要原料之一，属粉体材料。填料用量相当大，几乎与橡胶本身用量相当。在橡胶加工中又将填料分为补强剂和填充剂。

    橡胶的补强是指在橡胶中加入一种物质后，能够提升硫化橡胶的耐磨性、抗撕裂强度、拉伸强度、模量、抗溶胀性等的行为。凡具有这种作用的物质称为补强剂。常用补强剂：炭黑、白炭黑、短纤维、无机纳米材料等。

1.橡胶用炭黑

    炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料，可以毫不夸张的说，没有炭黑工业就没有现在蓬勃发展的橡胶工业。按炭黑在橡胶中的作用将炭黑分为硬质炭黑和软质炭黑。硬质炭黑：粒径在40nm以下，补强性能高的炭黑，如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。软质炭黑：粒径在40nm以上，补强性低的炭黑，如半补强炭黑、热裂法炭黑等。

    橡胶用炭黑一般按照ASIM-1765-81标准来分类命名。命名系统由四部分组成。第一个英文字母代表硫化速度，N代表正常硫化速度，S代表缓慢硫化速度。后面跟着三个数字，第一个代表炭黑平均粒径范围，共分为0~9个等级。第二和第三个数字则是由美国材料试验协会负责炭黑和术语的D24.41委员会指定的，反映不同的结构程度，也就是炭黑大概的高低结构确定的，有一定的任意性。相对而言，数字越大，结构越高。

ASIM的炭黑分类命名

2.炭黑补强机理

    近半个世纪以来，人们对炭黑补强机理曾进行了广泛的讨论提出了多种补强学说。

容积效应

弱键和强键学说

Bueche的炭黑粒子与橡胶链的有限伸长学说

壳层模型理论

橡胶大分子链滑动学说

    前四种机理虽然都能说明一定的问题，但有局限性。随着时间进展，专家们对机理不断的深化完善，橡胶大分子滑动学说的炭黑补强机理就是一个比较完善的理论。

（1）胶大分子链滑动学说

    这是比较新和比较全面的炭黑补强理论。该理论的核心是橡胶大分子能在炭黑表面上滑动，由此解释了补强现象。炭黑粒子表面的活性不均一，有少数的活性点以及一系列的能量不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以有各种不同的结合能量，有多数弱的范德华力的吸附以致少量强的化学吸附。吸附的橡胶链段在应力作用下会滑动伸长。

大分子滑动学说概念图

（1）表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附在炭黑离子表面上。

（2）表示胶料伸长时状态。这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表面滑动，原始状态吸附的长度用点标出，可看出滑动的长度。这时应力有多数伸直的链承担，起应力均匀的作用，缓解应力集中为补强的第一个重要因素。

（3）当伸长再增大，链再滑动，使橡胶链高度取向，承担大的应力，有高的模量，为补强的第二个重要因素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损耗。损耗会消去一部分外力功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强的重要因素。

（4）是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应力软化效应，胶料回缩后炭黑粒子间橡胶链的长度差不多一样，再伸长就不需要再滑动一次，所需应力下降。

3.炭黑补强橡胶性能

    补强橡胶的目的是为了提高橡胶的拉伸性能、抗撕裂能力、定伸应力和耐磨性等性能，使橡胶制品更有弹性，经久耐用。炭黑主要通过炭黑粒径的大小、结构度、和用量来调节补强橡胶的效果。

（1）拉伸性能

炭黑粒径小，表面活性大，结构度高，拉伸强度高；随炭黑用量增大，拉伸强度先增后降。

（2）撕裂强度

贪黑的粒径小，撕裂强度高；粒径相同时，对结晶性橡胶，结构度低的碳黑，撕裂强度高；对非结晶性橡胶，结构度高的炭黑，撕裂强度高；随炭黑用量增大，撕裂强度先增后降。

（3）定伸应力和硬度

炭黑粒径小，结构度高，表面活性大，用量大，胶料的定伸应力和硬度高，其中以结构度影响最大。炭黑对胶料定伸应力和硬度的影响要比胶种、硫化体系大得多。

（4）耐磨性

炭黑粒径小，表面活性大，分散性好，胶料耐磨性好。

（5）弹性

粒径小、结构度高、表面活性大，用量大，胶料的弹性差。其中炭黑用量影响最大。

由此可见，根据橡胶制品的不同选择合适的炭黑种类对橡胶进行补强至关重要。