在現(xiàn)代橡膠工業(yè)中，炭黑作為一種重要的填料，被廣泛應(yīng)用于各類橡膠制品中，尤其是順丁橡膠(BR)。炭黑與順丁橡膠的相互作用不僅顯著影響橡膠的物理機(jī)械性能，還對其加工性能和耐用性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本文將從炭黑的化學(xué)活性、粒徑、結(jié)構(gòu)性和表面粗糙度四個(gè)方面，詳細(xì)探討炭黑與順丁橡膠的相互作用及其對性能的影響。
一、炭黑的化學(xué)活性與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的化學(xué)活性是決定其補(bǔ)強(qiáng)性能的關(guān)鍵因素之一?；瘜W(xué)活性高的炭黑，表面含有更多的活性點(diǎn)，這些活性點(diǎn)在煉膠和硫化過程中與橡膠分子發(fā)生反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(結(jié)合橡膠)，從而賦予硫化膠更高的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，化學(xué)活性大的炭黑補(bǔ)強(qiáng)作用顯著，而化學(xué)活性低的炭黑(如石墨化炭黑)補(bǔ)強(qiáng)作用則較弱。
這種補(bǔ)強(qiáng)作用不僅提高了橡膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，還顯著提升了耐磨性。炭黑的化學(xué)活性增大，會使混煉時(shí)生成的結(jié)合橡膠數(shù)量增多，導(dǎo)致膠料的門尼粘度提高，壓出時(shí)口型膨脹率和半成品收縮率增大，壓出速度減慢。然而，這些變化同時(shí)也帶來了硫化膠物理性能的增強(qiáng)，如拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和耐磨性的提升。
值得注意的是，炭黑表面的含氧官能團(tuán)對不飽和橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用較小，但對飽和度高的橡膠(如丁基橡膠)的補(bǔ)強(qiáng)作用則較大。因此，在選用炭黑時(shí)，需根據(jù)橡膠的類型和具體性能要求，選擇合適的炭黑種類。
二、炭黑的粒徑與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的粒徑是影響其補(bǔ)強(qiáng)性能的另一個(gè)重要因素。炭黑粒子越小，比表面積越大，相同質(zhì)量下活性點(diǎn)也越多，從而能更好地發(fā)揮對橡膠的化學(xué)結(jié)合和物理吸附作用，提高補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。粒徑小的炭黑能夠顯著提高硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、耐磨性和硬度，同時(shí)改善耐屈撓龜裂性。然而，粒徑過小的炭黑粒子間聚凝力大，易結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致混煉時(shí)分散困難，使可塑性下降，壓出性能降低。
在實(shí)際應(yīng)用中，需要權(quán)衡炭黑粒徑對補(bǔ)強(qiáng)性能和加工性能的影響。合適的炭黑粒徑不僅能提供優(yōu)異的物理機(jī)械性能，還能保持良好的加工性能。因此，在選擇炭黑時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的性能要求和加工條件，合理確定炭黑的粒徑。
三、炭黑的結(jié)構(gòu)性與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的結(jié)構(gòu)性是影響其補(bǔ)強(qiáng)性能的第三個(gè)重要因素。結(jié)構(gòu)性高的炭黑，其聚熔體形態(tài)復(fù)雜，枝杈多，內(nèi)部空隙大，當(dāng)與橡膠混合后，形成的吸留橡膠(或稱包容橡膠)多。這些吸留橡膠能阻礙橡膠分子鏈的變形，從而提高硫化膠的定伸應(yīng)力和硬度等性能。同時(shí)，吸留橡膠的形成還有助于改善炭黑在混煉時(shí)的分散性以及壓出操作性能。
炭黑的結(jié)構(gòu)性對結(jié)晶性和非結(jié)晶性橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能影響不同。較低結(jié)構(gòu)的炭黑對結(jié)晶性橡膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的提高較為有利，這主要是由于結(jié)構(gòu)性低時(shí)，被吸留的橡膠少，有利于橡膠的伸長結(jié)晶。此外，炭黑的結(jié)構(gòu)性還顯著影響膠料的導(dǎo)電性能。結(jié)構(gòu)性越高，導(dǎo)電性越好，這是由于炭黑聚熔體的鏈枝狀結(jié)構(gòu)易于在膠料中形成交織聯(lián)結(jié)的導(dǎo)電通路。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)橡膠制品的具體性能要求，選擇合適的炭黑結(jié)構(gòu)性。對于需要高導(dǎo)電性能的橡膠制品，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)性高的炭黑;而對于需要高拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的橡膠制品，則可考慮選擇結(jié)構(gòu)性較低的炭黑。
四、炭黑的表面粗糙度與順丁橡膠性能的關(guān)系
炭黑的表面粗糙度也會對補(bǔ)強(qiáng)性能產(chǎn)生不利影響，并降低膠料的工藝性能。當(dāng)炭黑粒徑相同時(shí)，增大表面粗糙度會使補(bǔ)強(qiáng)性能下降，這是因?yàn)橄鹉z分子鏈不能進(jìn)入炭黑表面只有零點(diǎn)幾個(gè)納米的孔隙中，導(dǎo)致炭黑與橡膠能夠產(chǎn)生相互作用的有效表面積減小，補(bǔ)強(qiáng)作用下降。
表面粗糙度增大，會使硫化膠的拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、耐磨性和耐屈撓龜裂性能下降，但回彈性、扯斷伸長率以及受其影響的抗撕裂性能提高。因此，在選擇炭黑時(shí)，應(yīng)考慮其表面粗糙度對橡膠性能的影響，盡量選擇表面光滑的炭黑，以提高橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能和加工性能。
五、炭黑用量對順丁橡膠性能的影響
炭黑的用量也是影響順丁橡膠性能的重要因素之一。隨著炭黑用量的增加，順丁橡膠的壓縮溫升和壓縮永久變形都呈遞增趨勢。這是由于炭黑用量增大，使得順丁橡膠的分散性變差，同時(shí)炭黑與順丁橡膠的相互作用也增大，導(dǎo)致在動態(tài)作用下橡膠內(nèi)部的摩擦生熱增加，溫升提高。
然而，炭黑用量的增加也會顯著提高順丁橡膠的耐磨性。實(shí)驗(yàn)表明，隨著炭黑用量的增加，膠料的磨耗量明顯下降，即耐磨耗性能明顯提高。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)橡膠制品的具體性能要求和加工條件，合理控制炭黑的用量。
結(jié)論
炭黑與順丁橡膠的相互作用及其對性能的影響是多方面的。炭黑的化學(xué)活性、粒徑、結(jié)構(gòu)性和表面粗糙度以及用量等因素，都顯著影響順丁橡膠的物理機(jī)械性能、加工性能和耐用性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)橡膠制品的具體性能要求和加工條件，選擇合適的炭黑種類和用量，以充分發(fā)揮炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用，提高橡膠制品的質(zhì)量和性能。
