炭黑作為一種重要的橡膠補強填料，在橡膠工業中扮演著舉足輕重的角色。它不僅顯著改善了橡膠的物理機械性能，還提高了橡膠的耐磨性、耐候性和導電性等特性。本文將從炭黑的粒徑、結構、用量及化學活性等方面，詳細探討炭黑對橡膠硫化性能的影響。
一、炭黑的基本性質
炭黑是通過烴類化合物(如天然氣、煤焦油等)在缺氧條件下不完全燃燒或熱解生成的黑色粉末狀物質。在橡膠工業中，炭黑主要作為補強劑使用，以提高橡膠制品的拉伸強度、撕裂強度、耐磨性等性能。炭黑的種類繁多，根據用途不同可分為高耐磨、補強、半補強等幾種類型，如N110、N220、N330、N550等。
二、炭黑粒徑對橡膠硫化性能的影響
炭黑的粒徑是影響其補強性能的關鍵因素之一。一般來說，炭黑粒徑越小，比表面積越大，與橡膠分子的接觸面積也越大，從而能更好地發揮補強作用。具體來說：
拉伸強度與撕裂強度：炭黑粒徑愈小，硫化膠的拉伸強度和撕裂強度愈大。這是因為小粒徑炭黑能更均勻地分散在橡膠基體中，形成更多的結合點，增強了橡膠分子間的相互作用力。然而，當炭黑粒徑過小時，粒子間聚凝力增大，易結團，導致混煉時分散困難，反而可能降低補強效果。
定伸應力與伸長率：定伸應力與炭黑粒徑關系不大，而主要受炭黑結構的影響。伸長率則與炭黑粒徑及結構均有關，一般來說，結構越高，伸長率越小;炭黑用量增加也會降低伸長率。
硬度與耐磨性：粒徑愈小或結構愈高的炭黑，硫化膠的硬度愈高，耐磨性愈好。這是因為小粒徑、高結構的炭黑能更有效地填充橡膠空隙，增加橡膠的致密性和硬度，從而提高耐磨性。
屈撓性能與生熱性能：粒徑越小、結構越高的炭黑，硫化膠的屈撓龜裂性越好，但生熱也越高。低結構半補強爐黑和高結構半補強爐黑填充的橡膠具有較好的耐屈撓性能，且生熱較小。
三、炭黑結構對橡膠硫化性能的影響
炭黑的結構性是指炭黑粒子聚集體內部空隙和分支的復雜程度。結構性高的炭黑，其聚熔體形態復雜，枝杈多，內部空隙大，能形成更多的吸留橡膠(或稱包容橡膠)，從而顯著提高硫化膠的定伸應力、硬度等性能。
補強性能：結構性高的炭黑能更好地阻礙橡膠分子鏈的變形，提高硫化膠的定伸應力和硬度。然而，對于結晶性橡膠，較低結構的炭黑更有利于拉伸強度和撕裂強度的提高，因為低結構炭黑被吸留的橡膠少，有利于橡膠的伸長結晶。
分散性與加工性能：結構性高的炭黑在混煉時能更好地分散，提高膠料的加工性能。此外，吸留橡膠的形成還能改善壓出操作性能，使壓出口型膨脹率和半成品收縮率減小，表面光滑。
導電性能：炭黑的結構性是影響膠料導電性能的最重要因素。結構性越高，炭黑聚熔體的鏈枝狀結構越易于在膠料中形成交織聯結的導電通路，從而提高導電性能。
四、炭黑用量對橡膠硫化性能的影響
炭黑的用量對橡膠硫化性能有著顯著影響。一般來說，炭黑用量增加到一定范圍(如40~50份)時，硫化膠的拉伸強度、撕裂強度、耐磨性等性能達到最佳。但用量過多則可能導致混煉困難、分散不均、生熱增加等問題。
補強效應：隨著炭黑用量的增加，硫化膠的硬度、模量、耐磨性等性能均有所提高，補強效應顯著增強。然而，用量過多時，橡膠的可塑性下降，加工性能變差。
分散性：炭黑用量增加會加劇混煉時的分散難度，容易導致炭黑粒子結團，惡化制品性能。因此，在混煉過程中需嚴格控制炭黑用量和混煉條件，以獲得良好的分散效果。
生熱與老化：炭黑用量增加會導致硫化膠生熱增高，加速橡膠的老化過程。因此，在實際應用中需根據制品的使用環境和要求選擇合適的炭黑用量。
五、炭黑化學活性對橡膠硫化性能的影響
炭黑的化學活性對其補強性能具有重要作用。化學活性大的炭黑表面上的活性點多，在煉膠與硫化過程中與橡膠分子反應形成的網狀結構(結合橡膠)數量多，從而賦予硫化膠以高強度和高耐磨性。
結合橡膠：化學活性大的炭黑能生成更多的結合橡膠，提高膠料的門尼粘度，增強橡膠分子間的相互作用力。這種網狀結構的形成是炭黑補強性能的基礎。
工藝性能：化學活性大的炭黑在混煉時生成的結合橡膠數量多，導致壓出時口型膨脹率和半成品收縮率加大，壓出速度減慢。因此，在實際應用中需根據制品的工藝要求選擇合適的炭黑品種和用量。
六、結論
炭黑對橡膠硫化性能的影響是多方面的，涉及粒徑、結構、用量及化學活性等多個因素。在實際應用中，需根據制品的具體要求和工藝條件選擇合適的炭黑品種和用量，以獲得理想的橡膠性能。同時，還需注意炭黑在橡膠中的分散性問題，以確保制品的均勻性和穩定性。通過深入研究和不斷探索，炭黑在橡膠工業中的應用前景將更加廣闊。
