對(duì)炭黑稍有了解的人都知道炭黑按性能區(qū)分有“補(bǔ)強(qiáng)炭黑”、“導(dǎo)電炭黑”、“耐磨炭黑”等。炭黑可作黑色染料，用于制造中國(guó)墨、油墨、油漆等，也可以應(yīng)用于化學(xué)纖維和塑料……其實(shí)，炭黑用量最多的行業(yè)還是橡膠行業(yè)，那么炭黑在橡膠中應(yīng)用的知識(shí)有哪些呢?
今天炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)(m.rechenkeji.com.cn)的小編就主要給大家介紹一下橡膠炭黑以及橡膠炭黑對(duì)橡膠性能有什么影響。
一、什么是橡膠炭黑
橡膠炭黑即橡膠用炭黑，它并不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的概念，而只是主要用在橡膠制品中，具有一些可以統(tǒng)計(jì)的、標(biāo)準(zhǔn)化的特性的一類炭黑產(chǎn)品，是一個(gè)相對(duì)特種炭黑(用于油墨、涂料等)而言的概念。但并非說(shuō)橡膠炭黑就只能用在橡膠制品上，實(shí)際上很多塑料制品等產(chǎn)品中，也利用橡膠炭黑著色性能進(jìn)行產(chǎn)品加工。
二、炭黑在橡膠工業(yè)上的應(yīng)用
炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)綜合查閱資料發(fā)現(xiàn)：橡膠工業(yè)所用的炭黑約占整個(gè)炭黑產(chǎn)量的90%以上。主要用于各種類型的輪胎，如汽車輪胎、拖拉機(jī)輪胎、飛機(jī)輪胎、力車胎、自行車胎等。每制造一條普通的汽車外胎，就需要10公斤左右的炭黑。在橡膠用炭黑中，約有四分之三以上的炭黑用于輪胎的制造，其余則用于其他橡膠制品，如膠帶、膠管、膠鞋等。在橡膠制品工業(yè)中，炭黑的消耗量約占橡膠消耗量的40～50%。
炭黑在橡膠中的用量之所以這樣多，是由于它具有優(yōu)異的所謂“補(bǔ)強(qiáng)”能力。炭黑的這種“補(bǔ)強(qiáng)”能力早在1914年就首先在天然膠中發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，對(duì)于合成橡膠，炭黑的補(bǔ)強(qiáng)能力起著更加重要的作用。炭黑補(bǔ)強(qiáng)的最重要的標(biāo)志是改進(jìn)輪胎胎面的磨耗性能，配合30%補(bǔ)強(qiáng)炭黑的輪胎可以行駛4.8～6.4萬(wàn)公里;而填充等量的惰性或非補(bǔ)強(qiáng)性填充劑代替炭黑，其行駛里程僅為4800公里。除此以外，補(bǔ)強(qiáng)的炭黑還能提高橡膠制品的抗張強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度等物理機(jī)械性能。比如，在天然膠或氯丁膠等結(jié)晶性橡膠中加入補(bǔ)強(qiáng)炭黑比未加入炭黑的硫化膠的抗張強(qiáng)度可以提高1～1.7倍左右;在丁苯膠或丁腈膠等非結(jié)晶橡膠中則可提高到4～12倍左右。
炭黑在橡膠工業(yè)上的應(yīng)用占比：
在橡膠工業(yè)中，要根據(jù)制品的用途和使用條件不同，確定炭黑品種及其配合量。例如，對(duì)于輪胎胎面，首先要考慮耐磨性，因此需要高補(bǔ)強(qiáng)性炭黑，如超耐磨爐黑、中超耐磨爐黑或高耐磨爐黑等;而胎面和胎體膠料則要求滯后損失最小、生熱低的炭黑。
輪胎各部位：
三、 橡膠用炭黑類型劃分
橡膠用炭黑—橡膠用炭黑原來(lái)是按粒徑大小來(lái)分類的，但后來(lái)改為按氮表面積分類。此外，命名時(shí)把炭黑顏料的硫化速度和結(jié)構(gòu)等因素也考慮進(jìn)去了，由4個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。第一個(gè)英文字母代表膠料的硫化速度，以N代表正常硫化速度，S代表緩慢硫化速度。后面3個(gè)為阿拉伯?dāng)?shù)字。第一個(gè)數(shù)字代表炭黑氮表面積范圍，共列為0~9個(gè)等級(jí)。第二和第三個(gè)數(shù)字則由美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)炭黑和術(shù)語(yǔ)的D24.41委員會(huì)指定的，反映不同的結(jié)構(gòu)程度，也就是炭黑大概的高低結(jié)構(gòu)確定的，有一定的任意性。相對(duì)而言，數(shù)字越大，結(jié)構(gòu)越高。
命名系統(tǒng)是把炭黑膠料的硫化速度和結(jié)構(gòu)等因素考慮進(jìn)去的，由4個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。第一個(gè)字母代表英文字母代表膠料的硫化速度。N代表正常(normal)硫化速度，S代表緩慢(slow)硫化速度。后面 3個(gè)字母第一字母代表炭黑氮表而積范圍。第二個(gè)和第三個(gè)數(shù)字是反應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)程度。(這些都是由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的)
下面是炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)總結(jié)的不同型號(hào)的炭黑應(yīng)用：
N330是應(yīng)用最為廣泛的高耐磨型爐黑。本品耐磨性比中超耐磨系列炭黑稍差，但優(yōu)于槽法炭黑。本品用于輪胎胎面、簾布膠、胎側(cè)及各種橡膠工業(yè)制品。本品是一種補(bǔ)強(qiáng)性能良好的炭黑，能賦予膠料較好的拉伸性能、抗撕裂性能、耐磨性和彈性。使用本品的乘用胎的滾動(dòng)損失在N300系列中僅大于N351，比其他品種都小，在膠料中分散和壓出性能也好，適用于各種合成橡膠和天然橡膠。
N220 適用于各種橡膠，耐磨性比N330高10%-20%，能賦予膠粒膠高的拉伸強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度，并有一定的導(dǎo)電性。主要用于載重胎、乘用胎的胎面膠，及需要高強(qiáng)度、高耐磨的橡膠制品。
N550 適用于天然橡膠和各種合成橡膠，易分散，能賦予膠料較高的挺性，壓出速度快，口型膨脹小，壓出表面光滑。硫化膠的高溫性能及導(dǎo)熱性能良好，補(bǔ)強(qiáng)性能、彈性和復(fù)原性亦較住，主要用于輪胎簾布膠、胎側(cè)、內(nèi)胎及壓出、壓延制品膠料中。
N660 本品適用于各種橡膠，與半補(bǔ)強(qiáng)碳黑相比，具有較高的結(jié)構(gòu)，粒子較細(xì)，在膠料中易分散，硫化膠的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度和定仲應(yīng)力較高，而變形小，生熱低，彈性和耐屈擾性能良好。主要用于胎輪簾膠布、內(nèi)胎、自行車、膠管、膠帶、電纜、鞋類及壓延制品、模型制品等。
N774 適用于各種橡膠，木品是除熱裂法炭黑之外的粒徑最大(產(chǎn)品粒徑80-170nm)、結(jié)構(gòu)最低的炭黑品種，多用于輪胎胎體的緩沖層和簾布層膠料、膠管、壓出制品、各種工業(yè)橡膠制品，以及電線、電纜等本品在膠料中可以大量填充，其硫化膠仲長(zhǎng)率高、生熱低、彈性高、耐老化性能良好。本品亦可代替熱裂法炭黑使用。
N234 耐磨性比 N220約高10%，在高苛刻度下使用，更能顯示出良好的耐磨性能。主要用于高速輪胎而膠和高質(zhì)量的橡膠制品。
N326 在天然橡膠中具有較高的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐磨性及抗蹦裂性能。主要用于要求強(qiáng)度高，生熱低的輪胎(包括越野胎)胎面膠，也適用于輸送帶、密封制品及其他高質(zhì)量橡膠工業(yè)制品。
N339 在胎面膠料中的補(bǔ)強(qiáng)性能、耐磨性能及抗裂口增長(zhǎng)性能近于N220 炭黑，特別適用于丁苯橡膠與順丁并用體系。主要用于乘用胎、卡車胎胎面膠，輸送帶、膠管及各種要求耐磨性高的橡膠工業(yè)制品。
N375與N339性能基本相同，生熱比 N339稍低。主要用于轎車胎、載重胎及越野胎胎面膠。
N550 適用于天然橡膠和各種合成橡膠，易分散，能賦予膠料較高的挺性，壓出速度快，口型膨脹小，壓出表面光滑。硫化膠的高溫性能及導(dǎo)熱性能良好，補(bǔ)強(qiáng)性能、彈性和復(fù)原性亦較佳。主要用于輪胎簾布膠、胎側(cè)、內(nèi)胎及壓出、壓延制品膠料中。
N539 使用于本品的膠料，其壓出表面光滑，口型膨脹小，硫化膠的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較高，定伸應(yīng)力較N550 低，彈性和耐疲勞性能均較好。主要用于輪胎胎體膠料，尤其適用于以天然橡膠為主的緩沖層膠料，亦可用于輪胎基部膠料、膠帶覆蓋和其它橡膠制品及電線、電纜護(hù)套料中。
N660 本品適用于各種橡膠，與半補(bǔ)強(qiáng)碳黑相比，具有較高的結(jié)構(gòu)，粒子較細(xì)，在膠料中易分散，硫化膠的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度和定伸應(yīng)力較高，而變形小，生熱低，彈性和耐屈擾性能良好。主要用于胎輪簾膠布、內(nèi)胎、自行車、膠管、膠帶、電纜、鞋類及壓延制品、模型制品等。
N990 本品的物化性質(zhì)與相似，只是氮吸附比表面積稍低。吸收值稍高，為造粒產(chǎn)品，其甲苯抽出物小于。本品也有超純級(jí)產(chǎn)品。本品主要用作橡膠塑料的填充劑，也可用于冶金行+業(yè)作為碳化鎢產(chǎn)品的原料或耐高溫的絕熱材料，還原劑等。在膠料中大量配合木品，并不影響膠料的粘合性，當(dāng)配合量達(dá)到份時(shí)，可得到皮革樣的橡膠制品。使用本品的膠料加工容易，不影響硫化。硫化膠的硬度小，生熱低，變形小，耐曲撓，耐老化性能好。
炭黑(N234)
產(chǎn)品用途：用于輪胎胎面、表面補(bǔ)胎條、汽車橡膠件、傳送帶、傳送墊等，用此炭黑的硫化膠顯示出優(yōu)良的強(qiáng)伸和耐磨性能。
四、橡膠炭黑用量的選擇
橡膠炭黑具有很強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)作用，所以運(yùn)用在橡膠制品中可以增強(qiáng)橡膠的耐磨性和抗滑性，因此橡膠炭黑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橡膠制品中，尤其是在汽車輪胎上的應(yīng)用，當(dāng)然了凡事都會(huì)有量的限制，橡膠與炭黑要有很好的比例，才能發(fā)揮出最大的效果，并不是在制作橡膠的過(guò)程中添加越多的橡膠炭黑就越好，如果橡膠炭黑的量添加過(guò)多，反而會(huì)起到反作用使它的強(qiáng)度下降，所以問(wèn)題就來(lái)了，到底要在橡膠里添加多少的橡膠炭黑才能達(dá)到我們最滿意，最完美的效果呢?下面炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)的小編就為大家詳細(xì)講一講。
橡膠炭黑在膠料中的用量會(huì)直接影響硫化膠的性能，諸如強(qiáng)度、耐磨性、硬度、伸長(zhǎng)率、耐屈撓性等，均有一個(gè)最佳炭黑用量。所以，在配方設(shè)計(jì)時(shí)，炭黑用量的合理選擇是十分重要的。例如，硬度、定伸應(yīng)力、生熱等，均隨橡膠炭黑用量的增加而增加，而回彈性、膨脹率、伸長(zhǎng)率、電阻率、耐屈撓性等，均隨炭黑用量的增加而降低。但拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度及耐磨性等，卻隨橡膠炭黑用量的增加而有一級(jí)大值。因此，應(yīng)根據(jù)要求的性能，抓住主要矛盾，兼顧其他，合理選擇炭黑用量。例如，為了提高膠料的耐磨耗性，選用細(xì)粒子橡膠炭黑時(shí)用量較少，而選用高結(jié)構(gòu)細(xì)粒子橡膠炭黑，用量還可減少，這樣就不至于因?yàn)橛昧窟^(guò)大而降低回彈性，有利于保持較高的耐屈撓龜裂性能喝回彈性，減少生熱，保證在實(shí)際使用中有較好的耐磨性能。
一般的說(shuō)，在膠料中橡膠炭黑聚集體間的相互作用開(kāi)始急劇增加時(shí)的橡膠炭黑配合量為最佳配合量，橡膠炭黑粒徑越小，表面活性越大，結(jié)構(gòu)越高，達(dá)到最大拉伸強(qiáng)度時(shí)的炭黑用量就趨于減少，通常炭黑用量在40-60份時(shí)既能賦予橡膠制品較好的性能指標(biāo)。最佳配合量，硬質(zhì)炭黑在20%-23%左右，軟質(zhì)炭黑在23%-26%左右。
橡膠炭黑最佳配合量對(duì)于不同橡膠，不同溫度是不相同的，對(duì)于結(jié)晶性天然橡膠來(lái)說(shuō)，最佳配合量是使橡膠分子鏈在大變形時(shí)易于取向生成結(jié)晶，因而橡膠炭黑用量較少;而對(duì)于非結(jié)晶型的丁苯橡膠而言，則是增加分子鏈間的吸引力，由此增加彈性體的強(qiáng)度，獲得補(bǔ)強(qiáng)效果，因而炭黑用量較多。另外，同一彈性體和同一填料，在混煉溫度為100℃時(shí)的最佳填充量比20℃時(shí)的填充量大。
橡膠炭黑比橡膠價(jià)格低，故一般配方傾向于多用橡膠炭黑。但是，如果橡膠炭黑用量過(guò)多，反而會(huì)使硫化膠的物理性能下降，達(dá)不到應(yīng)有的補(bǔ)強(qiáng)效果。一是由于相對(duì)減少了橡膠用量，二是由于分散性不好，削弱了橡膠和炭黑間的相互作用，所以強(qiáng)度下降。故應(yīng)該綜合考慮膠料的加工性、滯后性以及破壞特性，選用適當(dāng)配合量。
橡膠炭黑的最大填充量可用炭黑的DBP吸收值預(yù)先測(cè)定。例如，ISAF的DBP吸附值為1.25cm3/g，橡膠的相對(duì)密度為0.95，則100g炭黑至少可配合118g橡膠(1.25×0.95=1.18)，或是100g橡膠最大可容納85g炭黑(ISAF)。同理，低結(jié)構(gòu)炭黑容量可以更多。如果炭黑填充量過(guò)多，則容易結(jié)團(tuán)，無(wú)法進(jìn)一步分散。實(shí)際上，只有炭黑母煉膠才能達(dá)到如此高的炭黑濃度。
在確定橡膠炭黑的填充量的時(shí)候，還要考慮到在混煉過(guò)程中的溫度，以此來(lái)確定最佳的配比量，切記千萬(wàn)不可過(guò)多的添加橡膠炭黑，這樣會(huì)影響到硫化膠的物理性能，會(huì)消減橡膠炭黑與橡膠之間的相互作用，使生產(chǎn)出來(lái)的橡膠制品拉伸強(qiáng)度下降，因?yàn)檫^(guò)多使用橡膠炭黑時(shí)會(huì)使炭黑的分散不夠均勻出現(xiàn)凝聚。
五、 炭黑的性能對(duì)橡膠的性能都有哪些影響
我們可以通過(guò)圖表更直觀地了解一下炭黑粒徑、結(jié)構(gòu)和用量對(duì)橡膠主要性能的影響：
1、炭黑的化學(xué)活性與橡膠性能的關(guān)系 炭黑的化學(xué)活性對(duì)補(bǔ)強(qiáng)性能具有重要作用。實(shí)驗(yàn)證明，化學(xué)活性大的炭黑，其補(bǔ)強(qiáng)作用大;而化學(xué)活性低的炭黑(如石墨化炭黑)，其補(bǔ)強(qiáng)作用就非常之小。這是因?yàn)椋瘜W(xué)活性大的炭黑，表面上的活性點(diǎn)多，在煉膠與硫化過(guò)程中與橡膠分子反應(yīng)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(結(jié)合橡膠)數(shù)量多。而這種炭黑與橡膠形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予硫化膠以強(qiáng)度。因此，炭黑的化學(xué)活性是構(gòu)成補(bǔ)強(qiáng)性能的最基本因素，稱為影響炭黑補(bǔ)強(qiáng)性能的第一因素(或強(qiáng)度因素〉。
炭黑的化學(xué)活性越大，混煉時(shí)生成的結(jié)合橡膠數(shù)量越多，從而使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加大，壓出速度減慢。而硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性等越高。
經(jīng)研究，在炭黑表面的活性點(diǎn)中，含氧官能團(tuán)對(duì)不飽和橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用極微，這也是近代發(fā)展?fàn)t法炭黑而較少采用槽法炭黑的原因之一。但含氧官能團(tuán)對(duì)飽和度高的橡膠(如丁基橡膠)的補(bǔ)強(qiáng)功能則有較大作用。
2、炭黑的粒徑與橡膠性能的關(guān)系 既然炭黑的活性點(diǎn)存在于炭黑的表面上，因此炭黑粒子越小，比表面積就越大，相同質(zhì)量炭黑的活性點(diǎn)也越多，這就能更好地發(fā)揮炭黑對(duì)橡膠的化 學(xué)結(jié)合和物理吸附作用，從而提高了補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。所以，炭黑的粒徑是影響碳黑補(bǔ)強(qiáng)性能的第二個(gè)因素，即廣度因素。
炭黑的粒徑越小，硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、耐磨性、硬度越高，耐屈撓龜裂性越好，回彈性和扯斷伸長(zhǎng)率減小。但粒徑過(guò)小，會(huì)因粒子間聚凝力大，易結(jié)團(tuán)，而導(dǎo)致混煉時(shí)分散困難，并使可塑性下降，壓出性能降低。
3、炭黑的結(jié)構(gòu)性與橡膠性能的關(guān)系 炭黑的結(jié)構(gòu)性是影響炭黑補(bǔ)強(qiáng)性能的第三因素，即形狀因素。這是因?yàn)?，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。由于炭黑聚熔體能阻礙被吸留的橡膠分子鏈變形，因而對(duì)硫化膠的定伸應(yīng)力、硬度等性能的提高有顯著作用，從而體現(xiàn)了補(bǔ)強(qiáng)功能。同時(shí)，吸留橡膠的形成，對(duì)提高炭黑在混煉時(shí)的分散性以及改善壓出操作性能等方面也起著顯著的作用，即使壓出口型膨脹率和半成品收縮率減小，半成品挺性大，且表面光滑。
炭黑的結(jié)構(gòu)性對(duì)結(jié)晶性和非結(jié)晶性橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能的影響不同。主要表現(xiàn)在對(duì)拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的影響上。一般規(guī)律是：當(dāng)粒徑相同時(shí)，高結(jié)構(gòu)炭黑對(duì)非結(jié)晶橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用大，一般有較高的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，這是由于炭黑的結(jié)構(gòu)提高了非結(jié)晶橡膠的結(jié)晶傾向所致。而較低結(jié)構(gòu)的炭黑對(duì)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(zhǎng)結(jié)晶所致。
此外，炭黑的結(jié)構(gòu)性還是影響膠料導(dǎo)電性能的最重要因素。結(jié)構(gòu)性越髙，導(dǎo)電性越好。這可以簡(jiǎn)單地解釋為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，因此使導(dǎo)電性能提高。
4、炭黑的表面粗糙度與橡膠性能的關(guān)系 炭黑的表面粗糙度會(huì)對(duì)炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能產(chǎn)生不利影響，并使膠料的工藝性能降低。當(dāng)炭黑粒徑相同時(shí)，增大表面粗糙度會(huì)使補(bǔ)強(qiáng)性能下降，其原因是由于橡膠分子鏈不能進(jìn)入只有零點(diǎn)幾個(gè)nm的炭黑表面孔隙中，因而使炭黑與橡膠能夠產(chǎn)生相互作用的有效表面積減小，補(bǔ)強(qiáng)作用下降。其結(jié)果表現(xiàn)為硫化膠的拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、耐磨性、耐屈撓龜裂性能下降，但回彈性、扯斷伸長(zhǎng)率以及受其影響的抗撕裂性能提高。
以上就是本篇文章的全部?jī)?nèi)容了，你是否對(duì)橡膠炭黑的應(yīng)用又有了更深刻的認(rèn)識(shí)呢?如果有問(wèn)題可以添加小編微信，拉你進(jìn)行業(yè)交流群，隨時(shí)恭候你來(lái)……
