炭黑作為一種重要的橡膠填充劑，對順丁橡膠(BR)的性能有著顯著的影響。本文將從炭黑對順丁橡膠的物理性能、動態性能、耐磨性能以及補強作用等方面進行詳細探討，以期深入理解炭黑與順丁橡膠之間的相互作用。
一、炭黑對順丁橡膠物理性能的影響
炭黑在順丁橡膠中的用量直接影響其物理性能。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呈現遞增的趨勢。這是因為隨著炭黑填充量的增加，順丁橡膠的分散性逐漸變差，炭黑與橡膠的相互作用增大。在動態作用下，橡膠內部的摩擦生熱增加，導致溫升提高。
實驗數據表明，當炭黑用量在30-50份之間時，國產稀土順丁橡膠的壓縮溫升和壓縮永久變形增長幅度相對較小。然而，當炭黑用量超過50份時，這些性能指標的增長幾乎呈線性趨勢。值得注意的是，無論炭黑填充量如何變化，國產稀土順丁橡膠的壓縮溫升始終低于國外稀土順丁橡膠、鎳系順丁橡膠和鈷系順丁橡膠。這表明在壓縮溫升方面，國產稀土順丁橡膠具有更高的填充容忍度。
此外，炭黑對順丁橡膠的拉伸強度也有重要影響。以熱可逆順丁橡膠(TBR)為例，隨著白炭黑(一種特定類型的炭黑)用量的增加，TBR的拉伸強度逐漸增大，斷裂伸長率逐漸減少。當白炭黑用量達到30份時(通常以phr，即每百份橡膠中的份數表示)，TBR的拉伸強度和斷裂伸長率分別達到最優值。然而，當白炭黑用量超過這一臨界值時，拉伸強度可能會下降，原因是過量的炭黑可能阻礙橡膠分子間的交聯，導致力學強度下降。
二、炭黑對順丁橡膠動態性能的影響
輪胎在行駛過程中，胎側會受到周期性的曲撓作用，因此胎側通常采用天然橡膠(NR)與順丁橡膠(BR)并用以獲得良好的動態疲勞性能。炭黑在NR/BR并用膠中的分布和親和性對并用膠的性能，特別是動態疲勞性能，具有重要影響。
研究表明，炭黑在NR/BR并用膠中更傾向于分布在BR相中。通過調控炭黑的粒徑、結構度以及膠料混合工藝，可以優化炭黑在NR/BR中的分布，從而提高動態疲勞性能。例如，采用稀土催化、高門尼粘度的BR(如Nd-60)和高結構的炭黑(如N375)，并結合NR炭黑母膠工藝，可以基本實現炭黑在NR/BR中的均勻分布，從而顯著提高輪胎胎側膠的動態疲勞性能。
炭黑的分布不僅影響動態疲勞性能，還影響橡膠的動態模量和損耗因子。通過動態粘彈譜測定，可以建立損耗因子峰高與炭黑含量的關系，從而定量計算炭黑在NR/BR中的分布情況。這些研究為優化炭黑在橡膠中的分布提供了科學依據，有助于進一步提高橡膠的動態性能。
三、炭黑對順丁橡膠耐磨性能的影響
橡膠的耐磨性是橡膠制品，特別是動態下使用的橡膠制品極為重要的技術指標。實驗結果表明，隨著炭黑用量的增加，順丁橡膠的磨耗量明顯下降，耐磨耗性能顯著提高。這是因為炭黑作為填料，可以增加橡膠的硬度和剛度，從而提高其耐磨性。
耐磨性的提高不僅依賴于炭黑的用量，還與炭黑的種類和性質密切相關。例如，高結構的炭黑由于其較大的比表面積和較強的吸附能力，能夠更有效地提高橡膠的耐磨性。此外，炭黑在橡膠中的分散性也是影響耐磨性能的重要因素。分散良好的炭黑能夠更有效地傳遞應力，減少橡膠內部的摩擦和磨損。
四、炭黑對順丁橡膠的補強作用
炭黑對橡膠的補強作用一直是橡膠科學領域的研究熱點。炭黑粒子表面上的吸附橡膠層平均厚度對補強效果具有重要影響。通過核磁共振等現代測試技術，可以研究炭黑與橡膠微觀相互作用結構的細節，從而深入了解炭黑的補強機理。
研究表明，炭黑粒子表面的吸附橡膠層不僅增加了橡膠的交聯密度，還改變了橡膠的分子鏈段運動行為。這些變化有助于提高橡膠的強度和模量，從而增強其補強效果。此外，炭黑的粒徑、結構度和表面性質等也會影響其補強性能。因此，在選擇炭黑作為橡膠補強劑時，需要綜合考慮其種類、性質和用量等因素。
結語
炭黑對順丁橡膠的性能具有顯著影響。通過優化炭黑的用量、種類和分布等參數，可以顯著提高順丁橡膠的物理性能、動態性能、耐磨性能和補強作用。這些研究成果不僅為橡膠制品的研發和生產提供了科學依據，也為推動橡膠工業的可持續發展做出了重要貢獻。未來，隨著材料科學和納米技術的不斷發展，炭黑在橡膠中的應用將更加廣泛和深入。
