【炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)】7月22日消息，在橡膠工業(yè)領(lǐng)域，沉淀法白炭黑作為關(guān)鍵的補(bǔ)強(qiáng)填料，其各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)橡膠耐磨性有著直接或間接的重要影響。這些指標(biāo)通過(guò)作用于與橡膠基質(zhì)的界面、橡膠的分散性以及力學(xué)性能等多個(gè)方面，進(jìn)而左右橡膠的耐磨表現(xiàn)。以下將深入剖析各關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)橡膠耐磨性的影響機(jī)制。

比表面積(BET)：補(bǔ)強(qiáng)與分散的微妙平衡

比表面積堪稱(chēng)白炭黑的核心指標(biāo)之一，它直觀地反映了白炭黑與橡膠的接觸面積大小以及補(bǔ)強(qiáng)能力的強(qiáng)弱，對(duì)橡膠耐磨性的影響不容小覷。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)比表面積增大，例如從100㎡/g提升至200㎡/g時(shí)，白炭黑與橡膠基質(zhì)的界面接觸面積顯著增加。此時(shí)，憑借“錨定效應(yīng)”，界面結(jié)合力得到增強(qiáng)，橡膠的抗變形能力和補(bǔ)強(qiáng)效果也隨之提升。具體表現(xiàn)為橡膠的硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度均有所提高，在磨損過(guò)程中，橡膠不易因局部應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)材料脫落，耐磨性得到顯著增強(qiáng)。然而，若比表面積過(guò)大，超過(guò)250㎡/g時(shí)，白炭黑粒子間的范德華力和氫鍵作用會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致粒子容易團(tuán)聚，尤其是在未經(jīng)過(guò)表面處理的情況下。團(tuán)聚體的形成會(huì)使白炭黑在橡膠中的分散性急劇下降，在橡膠中形成“應(yīng)力集中點(diǎn)”。在磨損過(guò)程中，這些“應(yīng)力集中點(diǎn)”會(huì)優(yōu)先從周?chē)l(fā)生斷裂，進(jìn)而使橡膠的耐磨性下降。因此，存在一個(gè)最佳比表面積范圍，通常在150 - 220㎡/g之間(具體數(shù)值因橡膠種類(lèi)而異)，在這個(gè)范圍內(nèi)，白炭黑的分散性和補(bǔ)強(qiáng)效果能夠達(dá)到平衡，從而使橡膠的耐磨性達(dá)到最優(yōu)。

粒徑與粒徑分布：小而均勻更利于耐磨

白炭黑的原始粒徑(或聚集體粒徑)以及粒徑分布情況，會(huì)通過(guò)影響其在橡膠中的分散均勻性和界面作用，間接對(duì)橡膠的耐磨性產(chǎn)生影響。從粒徑大小來(lái)看，粒徑越小，通常與比表面積呈正相關(guān)關(guān)系，補(bǔ)強(qiáng)效果也就越強(qiáng)，原理與比表面積的影響類(lèi)似。但當(dāng)粒徑過(guò)小，例如原始粒徑小于10nm時(shí)，粒子間的團(tuán)聚能會(huì)顯著提高，分散難度大幅增加。這會(huì)導(dǎo)致橡膠中出現(xiàn)局部缺陷，從而降低橡膠的耐磨性。在粒徑分布方面，粒徑分布窄的白炭黑在橡膠中能夠更均勻地分散，可以避免因大顆粒(或團(tuán)聚體)形成的“薄弱點(diǎn)”。如果粒徑分布過(guò)寬，例如同時(shí)存在10nm和100nm以上的粒子，大顆粒就會(huì)成為磨損的起點(diǎn)，在磨損過(guò)程中優(yōu)先被磨除，進(jìn)而導(dǎo)致橡膠的耐磨性下降。所以，小粒徑(與最佳比表面積相匹配)且分布窄的白炭黑，更有利于提升橡膠的耐磨性。

結(jié)構(gòu)度(DBP吸油量)：構(gòu)建致密網(wǎng)絡(luò)提升耐磨

結(jié)構(gòu)度反映了白炭黑聚集體的枝狀復(fù)雜程度，通常通過(guò)DBP吸油量來(lái)表征，DBP吸油量值越高，結(jié)構(gòu)度就越高，這一指標(biāo)會(huì)影響橡膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和抗變形能力。結(jié)構(gòu)度高的白炭黑，其聚集體呈三維枝狀結(jié)構(gòu)，在橡膠中能夠形成更致密的“骨架網(wǎng)絡(luò)”。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)橡膠的彈性和抗壓縮變形能力。在磨損過(guò)程中，它能夠緩沖外力沖擊，減少材料因反復(fù)形變而產(chǎn)生的疲勞磨損，從而提升橡膠的耐磨性。不過(guò)，如果結(jié)構(gòu)度過(guò)高，當(dāng)DBP吸油量大于300mL/100g時(shí)，白炭黑聚集體間容易纏結(jié)，導(dǎo)致橡膠在混煉時(shí)門(mén)尼粘度急劇上升，加工流動(dòng)性變差，分散不均勻。局部結(jié)構(gòu)過(guò)密的區(qū)域會(huì)因應(yīng)力集中而加速磨損，反而降低橡膠的耐磨性。據(jù)炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)了解，中等結(jié)構(gòu)度(DBP吸油量在200 - 250mL/100g)更適合平衡加工性和耐磨性。

表面羥基含量(Si - OH)：相容性與界面結(jié)合的關(guān)鍵

白炭黑表面的硅羥基(Si - OH)是影響其與橡膠相容性的關(guān)鍵因素，會(huì)通過(guò)界面結(jié)合力間接影響橡膠的耐磨性。在未經(jīng)過(guò)處理時(shí)，如果羥基含量過(guò)高，例如大于5個(gè)/nm2，粒子間容易通過(guò)氫鍵形成硬團(tuán)聚，導(dǎo)致分散性變差。同時(shí)，羥基與橡膠分子(橡膠多為非極性)的相容性較差，界面結(jié)合力弱，在磨損時(shí)白炭黑容易從橡膠中脫落，從而使橡膠的耐磨性下降。而經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑(如Si69)處理后，偶聯(lián)劑會(huì)與羥基發(fā)生反應(yīng)，減少粒子間的團(tuán)聚，同時(shí)引入與橡膠相容的基團(tuán)(如硫醇基)，增強(qiáng)界面結(jié)合力。此時(shí)，白炭黑與橡膠形成“化學(xué)錨定”，應(yīng)力傳遞均勻，在磨損時(shí)不易發(fā)生界面剝離，橡膠的耐磨性得到顯著提升。因此，羥基含量需要適中，保持在3 - 5個(gè)/nm2，并且需要配合硅烷偶聯(lián)劑處理，才能最大化界面結(jié)合，提升橡膠的耐磨性。

pH值：影響硫化體系與耐磨性

白炭黑的pH值(通常在6.0 - 8.0之間)主要通過(guò)影響橡膠的硫化體系，間接對(duì)橡膠的耐磨性產(chǎn)生影響。如果酸性過(guò)強(qiáng)，pH值小于6.0，會(huì)抑制硫化促進(jìn)劑的活性，延緩硫化速度，甚至導(dǎo)致硫化不完全，使橡膠的交聯(lián)密度不足。低交聯(lián)密度的橡膠力學(xué)性能(如拉伸強(qiáng)度、硬度)會(huì)下降，在磨損時(shí)容易發(fā)生塑性變形和材料流失，耐磨性變差。相反，如果堿性過(guò)強(qiáng)，pH值大于8.0，可能會(huì)加速硫化(尤其對(duì)噻唑類(lèi)促進(jìn)劑)，導(dǎo)致硫化前期過(guò)快，交聯(lián)不均勻，出現(xiàn)局部過(guò)交聯(lián)或欠交聯(lián)的情況。過(guò)交聯(lián)區(qū)域容易脆化，欠交聯(lián)區(qū)域強(qiáng)度低，這些都會(huì)降低橡膠的耐磨性。所以，中性至弱酸性(pH值在5.0 - 7.0)更有利于硫化均勻性，保障橡膠的力學(xué)性能，從而提升橡膠的耐磨性。

雜質(zhì)含量：嚴(yán)格控制以保障耐磨

白炭黑中的雜質(zhì)(如Fe3?、Ca2?、Mg2?等金屬離子，或未反應(yīng)的鹽類(lèi))會(huì)通過(guò)破壞橡膠結(jié)構(gòu)或影響硫化過(guò)程，降低橡膠的耐磨性。金屬離子方面，F(xiàn)e3?等過(guò)渡金屬離子是橡膠氧化老化的催化劑，會(huì)加速橡膠分子鏈的斷裂，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能隨時(shí)間衰減，耐磨性下降。Ca2?、Mg2?可能與橡膠中的硫化劑反應(yīng)，干擾硫化過(guò)程，降低橡膠的交聯(lián)密度。可溶性鹽方面，雜質(zhì)鹽類(lèi)(如Na?SO?)含量過(guò)高會(huì)提高白炭黑的吸濕性，導(dǎo)致橡膠在加工時(shí)產(chǎn)生氣泡，形成內(nèi)部缺陷。在磨損過(guò)程中，這些缺陷處會(huì)優(yōu)先被破壞，從而降低橡膠的耐磨性。因此，雜質(zhì)含量需要嚴(yán)格控制，例如Fe3?含量應(yīng)小于1000ppm，以減少對(duì)橡膠性能的負(fù)面影響。

總體而言，沉淀法白炭黑對(duì)橡膠耐磨性的影響是多指標(biāo)協(xié)同作用的結(jié)果。比表面積和粒徑?jīng)Q定了白炭黑的基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)能力，結(jié)構(gòu)度影響橡膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，表面羥基和pH值調(diào)控界面結(jié)合與硫化均勻性，雜質(zhì)則通過(guò)破壞橡膠結(jié)構(gòu)降低性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)橡膠的種類(lèi)(如輪胎胎面膠、密封膠等)優(yōu)化各指標(biāo)的組合。例如，輪胎胎面膠通常選擇高比表面積、中結(jié)構(gòu)度、低雜質(zhì)的白炭黑，并配合硅烷偶聯(lián)劑，以實(shí)現(xiàn)耐磨性的最大化。