第三節(jié)炭黑對輪胎性能的影響
輪胎是種非常復雜的橡膠制品。輪胎產(chǎn)品規(guī)格品種繁多，部件復雜，每種產(chǎn)品都有其獨特的使用性能要求，相應的每種部件都有各自不同的工藝性能和物理機械性能指標。輪胎配方設(shè)計就是通過合理地選擇橡膠、補強劑和配合劑，使膠料性能達到產(chǎn)品要求的過程。
輪胎設(shè)計的出發(fā)點是輪胎的使用性能。輪胎的使用性能主要包括:耐磨性，滾動阻力、抗?jié)窕浴⒏咚傩浴⒉倏v性、乘坐舒適性等。不同規(guī)格品種的輪胎使用條件不同，對使用性能的要求也各有側(cè)重。輪胎的各項使用性能是通過才本身的輪廓、結(jié)構(gòu)和各部件的膠料性能得以體現(xiàn)的。對輪胎配方設(shè)計者來說，了解各部件膠料的性能要求，以及各種配合劑對這些性自
能的影響，并設(shè)法實現(xiàn)它是非常重要的。硫化膠料性能主要包括:力學性能、老化性能、黏彈性能等。輪胎是由多個部件組成的復合材料，每種膠料的性能必須在輪胎成品中體現(xiàn)，這就要求各部件膠料必須具有與工藝裝備相配合的工藝性能，確保輪胎制造過程穩(wěn)定、準確、流暢，最終保證產(chǎn)品性能。炭黑作為輪胎中非常重要的補強劑，對輪胎的諸多性能具有影響。
一、膠料工藝性能
工藝性能是指生膠或混煉膠硫化前的可加工性，未硫化橡膠在加工過程中均呈現(xiàn)黏彈行為。膠料的工藝性能將影響產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，以及生產(chǎn)效率和能源消耗。工藝性能包括如下幾方面：膠料混煉特性、黏彈性能、黏性和硫化特性等。
(一)膠料混煉特性
混煉特性是膠料的基本性能，為保證后混煉膠必須具有良好的分散性和適宜的黏度。混煉膠必須具有良好的分散性和適宜的黏度。炭黑在橡膠中只有適當充分的份數(shù)才能對硫化膠起到應有的補強作用。由于混煉條件不同，分散程度不同，硫化膠的物理機械性能將有很大不同。分散性主要指各種配合劑應在膠料中盡可能均勻分布，炭黑、白炭黑等補強劑只有均勻分散才能充分發(fā)揮作用，硫化劑也只有均勾分布在膠料中才能使硫化速度一致， 最終保證性能，各種配合劑的分散性是表征混煉性能的重要指標。分散性好壞與混煉工藝和配合劑品種、用量相關(guān)。一般炭黑粒徑小、 結(jié)構(gòu)低、填充量大的膠料比較難于混煉均勻，含大量白炭黑的膠料則更加困難，這就需要合理的混煉工藝相配合，增加混煉段數(shù)、提高剪切力、適當延長混煉時間都是改善分散性的有效方法。應該注意的是，為保證炭黑對聚合物的補強作用，在混煉過程中應首先使炭黑和聚合物相互作用，避免一些極性的、分子量較小的配合劑先與炭黑接觸，影響補強效果。
輪胎制造工藝要求混煉膠的黏度應穩(wěn)定地控制在一定范圍內(nèi)，每種膠料因性能要求不同，加工工藝不同，控制的黏度也不同。一般炭黑粒徑小、結(jié)構(gòu)高、用量大，膠料黏度高。
以前輪胎廠用可塑度表征黏度，現(xiàn)在已改用更加推確的門尼黏度。含炭黑的混煉膠在剪切速率較低時，彈性體往往呈現(xiàn)牛頓流動，剪切速率較高時，由于鏈斷裂而導致黏度不可逆地下降。填充炭黑的混煉膠由于某些原因會轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD體系，如炭黑聚集體形成附聚體。彈性體鏈和炭黑粒子的相互作用可形成炭黑-彈性體三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通過剪切作用會逐漸消失。顯然炭黑-彈性體復合體的大小和和形狀在不同剪切應力下將發(fā)生變化，因此表現(xiàn)出復雜的流動性。
應該注意的是，在膠料的加工過程要在保證分散的情況下，盡可能保持高黏度，減少在存放、
硫化過程中的填料附聚。
(二)膠料的壓延壓出性能
混煉膠必須經(jīng)過壓延壓出工序，成為具有一定形狀的半成品部件才能進行成型。壓延是指通
過輥簡施加外力于熱煉膠，使之具有形狀的過程。輪胎制造過程中的壓延主要有鋼絲簾布壓延、纖維簾布壓延和膠片壓延三種。壓延膠料應具有適宜的包輥性，良好的塑性變形能力和低收縮率，以及足夠的焦燒時間。這些特性與膠料的門尼黏度、成為松弛能力有關(guān)。影響壓延質(zhì)量的內(nèi)在因素是膠料配方，外在因素是設(shè)備及工藝條件。
炭黑用量增加可以在一定程度 上提高混煉膠強度，改善包輥性，減小收縮率，但會降低流動性。
壓出是指混煉膠通過擠出機作用成為各種形狀的輪胎部件的過程。壓出膠料應具有良好的流動性和尺寸穩(wěn)定性，以保證壓出效率和壓出精度。這兩項性能取決于膠料的塑性變形能力和應力松弛時間，與膠料配方關(guān)系較大，擠出設(shè)備和擠出工藝條件也有影響。
擠出口型膨脹是彈性體固有的現(xiàn)象，炭黑有填充和包容效應，可以降低自由橡膠體積分數(shù)。炭黑膠料的口型膨脹取決于炭黑的用量和炭黑結(jié)構(gòu)，而與其補強能力沒有關(guān)系。炭黑用量大、
結(jié)構(gòu)度高，壓出物尺寸穩(wěn)定性好，但流動性差，會帶來壓出困難。
(三)膠料的硫化性能
膠料的硫化性能包括焦燒性能、硫化速度及硫化返原性等，焦燒性能是指在膠料的的各種加工工藝過程中，由于溫度的作用使誘導期縮短，最終可能導致膠料早期硫化，使膠料不能使用，膠料所具有的抑制焦燒現(xiàn)象的能力即為焦燒性能，它可以反映膠料的加工安全性，是重要的工藝參數(shù)。
焦燒性能采用門尼黏度計測量，用t5 ，t35表示。t5 為黏度值從最低黏度上升5個單位所需的時間，t35為黏度值從最低黏度上升35個單位所需的時間。輪胎配方設(shè)計人員應根據(jù)各企業(yè)的工藝及裝備情況，在配方設(shè)計時保證膠料有足夠的焦燒安全性。
硫化速度是指膠料在特定的硫化溫度或熱歷程下模量增大的速度。硫化時間是指在特定的硫化溫度或熱歷程下達到特定狀態(tài)所需的時間。用振蕩圓盤流變儀可測定硫化時間和硫化速度。輪胎業(yè)界通常用t90 (達到設(shè)定硫化狀態(tài)90%所需要的時間)表征硫化速度。
但實驗膠片的最佳硫化時間并不等同于輪胎產(chǎn)品的硫化時間，輪胎為較厚橡膠制品，其硫化過程為變溫熱歷程，在確定輪胎各部件硫化性能時應綜合考慮硫化條件、部件位置、膠料的導熱性、過硫穩(wěn)定性等請多因素，有效平衡硫化效率和物理性能，應注意的是不同流變儀所測得的硫化速度是有差異的，傳統(tǒng)的有轉(zhuǎn)子流變儀因為難以排除轉(zhuǎn)子的影響，不是等溫硫化，所測結(jié)果長于無轉(zhuǎn)子流變儀，也長于實際硫化速度。
炭黑中含有來自原料油的硫，含量一般低于0.5%，主要以多環(huán)芳烴內(nèi)的結(jié)合硫形式存在。這些硫大多數(shù)鍵合到炭黑粒子內(nèi)部，不具備反應性，也不影響硫化性能。當炭黑中硫含量大于1.2%時，會使焦燒時間變短，但對其他性能影響較小。
炭黑表面含氧官能團多，pH值低，焦燒時間變長，碗化速度變慢。新工藝炭黑粒子較小，分布較窄，結(jié)構(gòu)較高，表面活性大，因而焦燒時間短，硫化速度快。
應該明確的是，與炭黑相比，合理選擇硫化促進烈和適當使用防焦劑對于控制硫化速度和焦繞時間是至關(guān)重要的，用遲效性或起效溫度較高的促進劑，或并用防焦劑可改改善焦燒安全性。合理選擇促進劑也可以實現(xiàn)制品所需要的硫化性能。在選擇炭黑是時應重點關(guān)注其補強性，對硫化性能的影響可以靠精選硫化體系彌補。
