炭黑对橡胶补强的物理机制
炭黑表面的纳米结构对橡胶的补强作用_邓毅
炭黑表面的纳米结构对橡胶的补强作用邓 毅(中橡集团炭黑工业研究设计院,四川自贡 643000) 摘要:通过扫描隧道显微镜(S TM)技术了解到炭黑粒子表面的鳞片状石墨微晶组成的纳米级精细结构,并研究炭黑对橡胶的补强机理。
研究表明,炭黑表面的纳米结构使橡胶分子链网络缠绕在炭黑表面,并将外来应力分散到其它分子网络上,共同分担应力,使橡胶弹性体体系不至于迅速破坏。
关键词:炭黑;纳米结构;补强机理;橡胶中图分类号:TQ330.38+1 文献标识码:A 文章编号:1006-8171(2003)07-0387-05 炭黑对橡胶的补强作用是由炭黑特有的基本性质决定的,炭黑粒子越细,结构越高,补强性越好。
试验证明,炭黑比表面积大于50m2·g-1时才能有较好的补强性,即炭黑粒径小于50nm 时,聚集体进入硫化胶的交联网络之间,橡胶分子才能充分吸附在炭黑粒子表面,并牢固地结合在一起。
有关炭黑与橡胶的相互作用及炭黑对橡胶补强的理论主要包括流体力学作用、结合胶模型、炭黑周边的橡胶高次构造、吸留橡胶、应力软化现象、分子链滑动理论以及填料网络理论等。
在早期的研究中,基于X射线衍射研究,人们认为单个炭黑粒子内是随机取向的微晶排列,与石墨的“卡片”式堆积不同,炭黑的“乱层”结构中石墨层面偏转或沿层面方向水平移动。
克梅特科(Kmetko)在研究槽黑的石墨化时提出了微晶取向平行于粒子表面的假设。
1966年,赫克曼(Heckman)和哈林(H arling)综合较新的研究成果,提出了同心微观结构模型。
霍尔(Hall)使用暗场透射式电子显微镜比较热裂解炭黑和其它大粒子炭黑的结晶取向后,否定了炭黑的微晶随机堆积模型。
1968年,赫斯和班恩以及哈林和赫克曼用相衬电子显微镜对所有的商品炭黑进行的研究都清晰地表明,炭黑中石墨层围绕一个或几个作者简介:邓毅(1963-),男,重庆人,中橡集团炭黑工业研究设计院高级工程师,学士,主要从事炭黑对橡胶物理性能、塑料导电性及机械性能影响的研究。
《炭黑补强机理》课件
炭黑在橡胶中的分 散
影响橡胶性能：炭黑分散不均匀会导致橡胶性能下降 影响加工性能：炭黑分散不均匀会导致橡胶加工困难 影响使用寿命：炭黑分散不均匀会导致橡胶使用寿命缩短 影响环保性能：炭黑分散不均匀会导致橡胶环保性能下降
炭黑在橡胶中的分散状态：炭黑在橡胶中的分散状态直接影响其补强效果
导电性：炭黑可以提高橡胶的导电性
提高橡胶的 耐磨性
增强橡胶的 抗老化性
改善橡胶的 抗撕裂性
提高橡胶的 导电性
硬质炭黑：提高橡胶的硬度和耐磨 性
半硬质炭黑：综合硬质和软质炭黑 的优点，提高橡胶的综合性能
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软质炭黑：提高橡胶的弹性和抗撕 裂性
特种炭黑：具有特殊的补强效果， 如导电性、磁性等
炭黑分散的影响因素：炭黑的粒径、表面活性、橡胶的粘度、温度等
炭黑分散的方法：机械搅拌、超声波分散、高速剪切等
炭黑分散的效果评价：通过观察炭黑在橡胶中的分散状态，以及测试橡胶的力学性 能等指标来评价炭黑分散的效果
提高炭黑表面活性：通过表面处理提高炭黑表面活性，使其更容易分散在橡胶中
控制炭黑粒径：选择合适的炭黑粒径，使其更容易分散在橡胶中 提高橡胶流动性：提高橡胶流动性，使其更容易与炭黑混合 加入分散剂：加入适当的分散剂，提高炭黑在橡胶中的分散效果
密度：相对密度为1.82.1
电导率：低电导率
光学性质：黑色，不透 明，有光泽
炭黑是一种无定形碳，具有高度分 散性和多孔性
石墨层之间通过范德华力相互连接， 形成三维网络结构
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炭黑的晶体结构主要由石墨层和碳 原子组成
炭黑作用机理及在橡胶中的应用研究进展
１ ． ３填料网络理论 随着炭黑配合量 的增 加，炭黑粒子之 间可 形成填料 网络结构。对于形成填料网络而言，填 料和填料之间、填料和聚合物之间的相互作用及 聚集体间的距离是重要 的影响因素 。
１ ． ４炭黑表 面结构理 论
该 理 论 认 为 ， 活 性 填 料 的 表 面 是 不 光 滑
特性 ，如耐 磨性 ， 从而 延 长制 品的 使用 寿命 。
１炭黑 的增 强作 用机理
目前 ，关于炭黑的增强作 用机理主要有分 子链滑动理论 、结合胶理论、填料 网络理论、炭 黑表面结构理论以及范得华网络理论等 。 １ ． １ 分子链滑动理 论 分子链 滑动理论认为 ，吸附在 炭黑表面 的 橡胶分子链有一定的活动能力。初始状态下，长
１ ６
炭黑 作 用机理 及 在橡胶 中的应 用研 究进 展
的，弹性体的增强受活性填料的表面结构粗糙度
和尺 寸范 围影 响 。炭 黑粒子 表 面 凹凸不 平， 粒子 问有 尖锐 的边 缘 。这种 结构 对于 体积 效 应或者 填
低，耐磨性能下降；成品轮胎耐久性能提高，胎 冠生 热降 低， 生产 成本 略微 增大 ， 轮胎燃 油 经济 性 大 幅提高 。 ２ ． ２丁苯橡胶 徐帅锋 等 ０ 研 究 了不 同粒径炭黑对 溶聚丁 苯橡胶 （ Ｓ Ｓ Ｂ Ｒ ） 性能的影响。结果表明：结构度高 的炭黑填充Ｓ Ｓ Ｂ Ｒ ￣炼胶的加工性能较差；高结构 度Ｂ Ｌ 系列炭黑填 充Ｓ Ｓ Ｂ Ｒ 硫化胶 的定伸应力 、拉 伸强度 、撕裂强度和补强因子均 比低结构度炭黑
能较差 。
料和聚集体的相互作用有着巨大的影响。 １ ． ５范德华 网络理论 该理论假设炭 黑聚集体 内部的炭黑粒子是
沿着拉伸方向平行排列的，粒子表面被聚合物全 部覆盖，连接聚集体和聚集体链的长度存在着一
简述炭黑补强的机理
简述炭黑补强的机理炭黑是一种常用的填料，其在橡胶、塑料、涂料等领域中具有广泛的应用。
其中，炭黑补强效果显著，是炭黑应用最为重要的方面之一。
本文将从分子水平和宏观特性两个层面探讨炭黑补强的机理。
一、分子水平1. 炭黑表面化学性质炭黑表面具有大量含氧官能团和含氮官能团，这些官能团与聚合物分子间可以形成氢键、范德华力等相互作用力，增加了聚合物与炭黑之间的相互作用。
2. 粒径效应由于炭黑颗粒粒径较小，其表面积较大，因此可以提供更多的接触面积来增加与聚合物分子之间的相互作用。
同时，由于小颗粒直径可导致更高的比表面积和更高的曲率半径，并且可以在聚合物中形成比较均匀的分散态势，从而增加了聚合物与填料之间的相互作用。
3. 分散效应当填充剂（如炭黑）添加到聚合物中时，它们倾向于聚集在一起形成团簇，这些团簇可以导致机械性能的下降。
为了避免这种情况，通常需要使用分散剂来保持填料的分散状态。
炭黑表面上的官能团可以与分散剂形成键合，从而增强其分散效果。
二、宏观特性1. 硬度和强度添加炭黑可使聚合物硬度和强度提高。
这是因为炭黑具有高比表面积和高曲率半径，可以增加与聚合物之间的相互作用力，并且通过增加填充剂体积分数来增加聚合物体系的密实性。
2. 耐久性添加炭黑可提高聚合物的耐久性。
这是因为炭黑具有很好的耐久性和化学稳定性，可以防止紫外线、氧化和其他环境因素对聚合物产生负面影响。
3. 电导率由于炭黑具有良好的导电性能，在某些应用中可以用作导电填料。
当填充剂浓度较低时，其导电特性主要取决于填充剂颗粒之间的距离和填充剂与聚合物之间的相互作用力。
当填充剂浓度较高时，其导电特性主要取决于填充剂颗粒之间的连通性和电子传输。
综上所述，炭黑补强机理涉及到分子水平和宏观特性两个层面。
在分子水平上，炭黑表面化学性质、粒径效应和分散效应是影响补强效果的关键因素；在宏观特性方面，硬度、强度、耐久性和电导率是炭黑补强机理的重要表现形式。
这些因素相互作用，共同促进了炭黑在橡胶、塑料、涂料等领域中的广泛应用。
白炭黑补强硅橡胶机理
白炭黑补强硅橡胶机理白炭黑是一种常用的填料，可以用来补强硅橡胶材料。
它具有高比表面积、优异的增强效果和抗老化性能，因此被广泛应用于橡胶制品的生产中。
补强硅橡胶的机理主要包括物理机械作用和化学作用两个方面。
首先，白炭黑的高比表面积能够提供更多的接触面积，增加与硅橡胶的物理结合力。
其次，白炭黑的颗粒形状和尺寸能够增加硅橡胶的机械强度，提高其抗拉强度和耐磨性。
在物理机械作用方面，白炭黑填料与硅橡胶基体之间形成了一种物理上的键合关系。
白炭黑颗粒的高比表面积使其能够与硅橡胶分子链相互作用，形成一种物理上的吸附作用。
这种吸附作用能够增加硅橡胶的黏附能力和内聚力，使其具有更好的拉伸性能和耐磨性。
在化学作用方面，白炭黑填料还能与硅橡胶基体发生化学反应，增强其化学键合力。
白炭黑的表面含有许多活性基团，可以与硅橡胶中的官能团发生反应，形成化学键。
这种化学键能够提高硅橡胶的耐热性、耐油性和耐腐蚀性，使其在复杂的工作环境中具有更好的稳定性和耐用性。
除了物理机械作用和化学作用，白炭黑还能够通过改变硅橡胶的微观结构来提高其性能。
白炭黑填料的加入可以改变硅橡胶的晶粒尺寸和分布，使硅橡胶具有更细密的结构和更均匀的分布。
这种微观结构的改变能够提高硅橡胶的物理力学性能，使其具有更好的弹性和韧性。
总的来说，白炭黑补强硅橡胶的机理是通过物理机械作用、化学作用和微观结构调控三个方面来实现的。
白炭黑的高比表面积和颗粒形状能够增加硅橡胶的物理强度和黏附能力，而其表面的活性基团则能够与硅橡胶发生化学反应，增强其化学性能。
此外，白炭黑的加入还能够改变硅橡胶的微观结构，进一步提高其性能。
因此，白炭黑作为一种常用的填料，能够有效地补强硅橡胶材料，提高其综合性能，广泛应用于橡胶制品的生产中。
5橡胶工艺学第四章橡胶补强与填充体系
• 包容胶的测算 Medalia经验公式
二.炭黑的性质对混炼过程及混炼胶的 影响
炭黑的粒径、结构和表面性质均有所影响。
对混炼吃料及分散的影响： 炭黑的粒径越细混炼越困难，吃料慢、耗 能高、生热高、分散越困难。主要是因为粒 径小，比表面积大，需要湿润的面积大。 炭黑结构对分散影响明显，高结构比低结 构的吃料慢，但分散快。
1.补强与填充的重要性:
橡胶工业用的补强剂是炭黑和白炭黑。 炭黑可以使橡胶的强度提高约10倍。
炭黑对橡胶的补强效果
胶种
SBR NBR EPDM BR NR
未补强 的拉伸强度
/MPa 2.5-3.5
2.0-3.0
3.0-6.0
8.0-10.0
16.0-24.0
炭黑补强 的拉伸强度
/MPa 20-26
原料为甲烷为主的天然气，故又称为 天然气槽法炭黑或瓦斯槽法炭黑。槽 法炭黑转化率大约为5％。特点是含 氧量大（约3％），呈酸性，灰分较 少（低于0.1％），现已很少使用。
⑵.炉法炭黑：
这是炭黑的主要品种。采用气态 烃，液态烃或混合作为原料，供以适 量的空气，在反应炉内高温下燃烧， 生成的炭黑悬浮在烟气中，经冷却后 收集。
20-27
18-25
18-25
24-35
填充可起到增大体积，降低成本， 改善加工工艺性能，如减少半成品收 缩率、提高硫化胶硬度。
常用的有陶土，碳酸钙，滑石粉等。
2.填料的分类:
第二节 炭黑的品种与性 质
一.品种及分类:
ASTM D1765 (Rubber Standards) Standard Classification System for Carbon Blacks Used in Rubber Products
白炭黑填充环氧化天然橡胶改性丁腈橡胶的物理性能和动态力学性能
橡胶材料的贮存模量 E′取决于外部应变 。 贮存模量与温度的关系示于图 2 。
物2填料的相互作用致使形成填料网络的驱动力 急剧减弱 。填料网络少从而降低了 Payne 效应 。 在这 3 个体系中 ,硅烷改性硫化胶的贮存模量最 低 ,这是由于硅烷与白炭黑表面的相互作用使白 炭黑得到了较好分散的缘故 。硅烷的乙氧基团与 白炭黑表面的硅醇基团的相互作用形成了白炭黑 和橡胶间的共价键 。其相互作用减少了填料网 络 ,因此 ,Payne 效应减弱 。发现 EN R 和硅烷改 性体系的刚性度损失最小 ,而白炭黑填充 NBR 胶料的刚性度却急剧下降 。
21 5 损耗模量
损耗模量 E″随温度的变化示于图 3 。与白炭 黑填充 NBR 相比 , EN R 改性试样的损耗模量较 低 。在转变前后 , EN R 改性体系的损耗模量比白 炭黑填充 NBR 的高 。在转变阶段 , EN R 改性试 样的损耗模量比白炭黑填充 NBR 的低 ,而硅烷 改性体系的损耗模量值最低 。在动态应变期间 , 填充橡胶的能量损失即损耗模量主要受填料网络 断裂或再形成的控制 。随着温度的升高 ,损耗模 量达到最大值 ,然后 ,随着填料网络再形成的速率 大大高于其破坏速率 ,损耗模量降低 。
1 试验
11 1 材料
丁腈 橡 胶 : Aparene N 4232N S , 由 Gujarat Apar Polymer s ( 印度) 供 应 , 丙 烯 腈 含 量 33 % ; EN R 50 :环氧化天然橡胶 (50mol %) ,由印度橡胶 研究所中试工厂设备制备 ;水合白炭黑 :Degussa A G(德国) 的 Ult rasil VN3 ; 偶联剂 : 硅269 [ 双 (32 三乙氧基丙基) 2甲硅烷基四硫化物 ] ,由 Degussa A G 生产 。所用其他配合剂为商品级 。
白炭黑在橡胶中的应用
白炭黑在橡胶中的应用一、白炭黑对胶料工艺性能的影响（1）胶料的混炼与分散白炭黑由于比表面积很大，总趋向于二次聚集，加之在空气中极易吸收水分，致使羟基间易产生很强的氢键缔合，进一步提高了颗粒间的凝聚力，所以白炭黑的混炼与分散要比炭黑困难得多，而且在多量配合时，还容易生成凝胶，使胶料硬化，混炼时生热大。
为获得良好的分散，就要求初始混炼时，保持尽可能高的剪切力，以便使白炭黑的这些聚集体粒子尽可能被破坏，而又不致使橡胶分子链发生过多的机械降解。
为此，白炭黑应分批少量加入，以降低生热。
适当提高混炼温度，有利于除掉一部分白炭黑表面吸附水分，降低粒子间的凝聚力，有助于白炭黑在胶料中的分散。
（2）白炭黑补强硅橡胶混炼胶中的结构控制白炭黑，特别是气相法白炭黑是硅橡胶最好的补强剂，但有一个使混炼胶硬化的问题，一般称为“结构化效应”。
其结构化随胶料停放时间延长而增加，甚至严重到无法返炼、报废的程度。
对此有两种解释，一种认为是硅橡胶端基与白炭黑表面羟基缩合；另一方面认为硅橡胶硅氧链节与白炭黑表面羟基形成氢键。
防止结构化有两个途径，其一是混炼时加入某些可以与白炭黑表面羟基发生反应的物质，如羟基硅油、二苯基硅二醇、硅氮烷等。
当使用二苯基硅二醇时，混炼后应在160~200℃下处理0.5~1h。
这样就可以防止白炭黑填充硅橡胶的结构化。
另一途径是预先将白炭黑表面改性，先去掉部分表面羟基，从根本上消除结构化。
（3）胶料的门尼粘度白炭黑生成凝胶的能力与炭黑不相上下，因此在混炼白炭黑时，胶料的门尼粘度提高，以致于恶化了加工性能，故在含白炭黑的胶料配方中软化剂的选择和用量很重要。
在IIR中往往加入石蜡烃类、环烷烃类和芳香烃类，用量视白炭黑用量多少及门尼粘度大小而异，一般可达15-30%。
在NR中，以植物性软化剂如松香油、妥尔油等软化效果最好，合成的软化剂效果不大，矿物油的软化效果最低。
（4）胶料的硫化速度白炭黑粒子表面有大量的微孔，对硫化促进剂有较强的吸附作用，因此明显地迟延硫化。
炭黑的性能对橡胶的性能的影响
炭黑的性能对橡胶的性能的影响炭黑的化学活性与橡胶性能的关系炭黑的化学活性对补强性能具有重要作用。
实验证明，化学活性大的炭黑，其补强作用大；而化学活性低的炭黑（如石墨化炭黑），其补强作用就非常之小。
这是因为，化学活性大的炭黑，表面上的活性点多，在炼胶与硫化过程中与橡胶分子反应形成的网状结构（结合橡胶）数量多。
而这种炭黑与橡胶形成的网状结构，赋予硫化胶以强度。
因此，炭黑的化学活性是构成补强性能的最基本因素，称为影响炭黑补强性能的第一因素（或强度因素）。
炭黑的化学活性越大，混炼时生成的结合橡胶数量越多，从而使胶料的门尼粘度提高，压出时口型膨胀率和半成品收缩率加大，压出速度减慢。
而硫化胶的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等越高。
经研究，在炭黑表面的活性点中，含氧官能团对不饱和橡胶的补强作用极微，这也是近代发展炉法炭黑而较少采用槽法炭黑的原因之一。
但含氧官能团对饱和度高的橡胶（如丁基橡胶）的补强功能则有较大作用。
炭黑的粒径与橡胶性能的关系既然炭黑的活性点存在于炭黑的表面上，因此炭黑粒子越小，比表而积就越大，相同质量炭黑的活性点也越多，这就能更好地发挥炭黑对橡胶的化学结合和物理吸附作用，从而提高了补强效应。
所以，炭黑的粒径是影响炭黑补强性能的第二个因素，即广度因素。
炭黑的粒径越小，硫化胶的拉伸强度、撕裂强度、定伸应力、耐磨性、硬度越高，耐屈挠龟裂性越好，回弹性和扯断伸长率减小。
但粒径过小，会因粒子间聚凝力大，易结团，而导致混炼时分散困难，并使可塑性下降，压出性能降低。
炭黑的结构性与橡胶性能的关系炭黑的结构性是影响炭黑补强性能的第三因素，即形状因素。
这是因为，结构性高的炭黑，其聚熔体形态复杂，枝权多，内部空隙大，当与橡胶混合后，形成的吸留橡胶（或称包容橡胶）多。
由于炭黑聚熔体能阻碍被吸留的橡胶分子链变形，因而对硫化胶的定伸应力、硬度等性能的提高有显著作用，从而体现了补强功能。
同时，吸留橡胶的形成，对提高炭黑在混炼时的分散性以及改善压出操作性能等方面也起着显著的作用，即使压出口型膨胀率和半成品收缩率减小，半成品挺性大，且表面光滑。
改善白炭黑在胶料中补强作用的方法
人们在不断寻求各种方法以进一步提高白炭
黑等填料的分散，同时提高填料与橡胶之间的相
互作用。直接添加少量的分散剂是一种方便的方 法。一般认为分散剂属于金属皂基混合物。相对 于橡胶大分子，分散剂是小分子，又具有表面活性 剂的双亲结构。因此，分散剂的引入起到了增塑 润滑作用，可以弱化大分子之间的缠结，同时，分
般地说，大部分能够与白炭黑的表面羟基发生化
学反应的易挥发物质均可作为改性剂。 白炭黑的结构改性是在生产过程中对白炭黑 进行分子设计，将亲水性的白炭黑改性成程度不 同的疏水性、两亲性的或带反应活性的白炭黑。 最近几年，国外出现了一种生产方法，叫硅酯水解 法，产品称为ＷＰＨ，所得二氧化硅极细，最大粒径
键；活性羟基与有机大分子链上的氢形成氢键；白 炭黑粒子间的相互作用、白炭黑一聚合物一白炭 黑与白炭黑聚集体间的“桥”链构成了空间网络 结构。其补强的机理可归结为以下两点：一是白
散剂还利于缠结的解除。目前国内文献对分散剂
重要的作用，但必须使其在填充体系中能够均匀 分散，才能达到满意的效果。Ｓｉ６９使用方法主要
包括直接混合法和预处理法两种。直接混合法是 将二氧化硅、生胶与Ｓｉ６９按一定比例均匀混合， 然后再加入其它助剂，以免阻碍偶联剂与聚合物
的合成及其对性能的影响也只作了初步研究，加 之对其组成的不明确，一般将其统称为加工助剂。
的混合物口Ｊ。
并均匀分散在二氧化硅表面进行处理；湿式处理
则是在二氧化硅的制作过程中，用偶联剂处理液
此外，设法在组成胶料的聚合物分子上附加
可以和白炭黑粒子相结合的官能团（胺、酰胺、烷 氧基硅烷、环氧基、羟基等），使白炭黑可以直接
炭黑对橡胶动态性能的影响
△
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指 标 则 由不 稳 定 键 确 定
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式 中∀ 一 指 数 近 似 于 ∀ 和 ∀
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到 简 明 的 解 释 然 而 可 用 它 们 作 影 响链 段
运 动动 力 学 和 机 械 能 消耗链 的 实 验 证 据
橡胶炭黑补强原理
橡胶炭黑补强原理
橡胶炭黑补强是橡胶工业中的一种重要技术。
其原理是将炭黑粒子加入到橡胶中，通过物理和化学作用，提高橡胶的强度、硬度、耐磨性和耐老化性能。
炭黑是一种黑色粉末，由天然气或石油等碳质原料经过高温热解、气相沉积等工艺制成。
炭黑具有高比表面积、分散性好、耐高温、耐化学腐蚀等特点，是一种重要的工业材料。
橡胶和炭黑之间的相互作用是橡胶补强的基础。
橡胶分子链中的双键可以与炭黑表面上的羟基、羧基、胺基等官能团发生物理吸附或化学反应，形成强的分子键合力。
这种键合力可以有效地改善橡胶的力学性能。
在橡胶生产过程中，炭黑的添加量通常在10%-50%之间。
炭黑的种类、粒径、表面活性等因素都对橡胶补强效果有影响。
一般来说，表面活性高、粒径小的炭黑补强效果更好。
除了炭黑外，还有其他补强剂，如硅石、白炭黑、碳纤维等。
它们与橡胶分子链的作用方式不同，但都可以提高橡胶的力学性能。
在实际应用中，橡胶炭黑补强技术已经广泛应用于轮胎、输送带、密封件、管道和鞋底等领域。
不同用途的橡胶制品对炭黑的要求也不同，需要在炭黑的种类、添加量、分散性等方面进行调整。
橡胶炭黑补强技术是橡胶工业中的重要技术之一。
通过合理的炭黑选择和添加量，可以有效地提高橡胶制品的力学性能和耐用性，为橡胶制品的应用提供了有力支持。
白炭黑补强原理
白炭黑补强原理引言白炭黑作为一种特殊的化学物质，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。
其具有高度的吸附性、光学性能和导电性等特点，被广泛用于橡胶、塑料、油墨、涂料等领域。
然而，白炭黑本身的力学性能较差，为了提高其强化效果，科学家们通过不断研究和实验，揭示了白炭黑补强的原理。
白炭黑的结构特点白炭黑是一种纯白色、无定形的粉末状物质。
其化学成分主要由富勒烯、多壁碳纳米管和氧化硅组成。
富勒烯和多壁碳纳米管为纳米级颗粒，具有较高的比表面积和晶体结构的稳定性。
氧化硅则为无机化合物，与富勒烯和碳纳米管形成了独特的复合结构。
白炭黑补强的机制白炭黑补强的本质是通过填充和界面相互作用来增强复合材料的力学性能。
具体来说，白炭黑通过以下方式实现补强效果：填充效应白炭黑的较大比表面积使其能够充分填充在复合材料的基体中，从而减小了基体材料的微观缺陷。
这种填充效应可以有效地阻碍裂纹的扩展，并提高复合材料的刚性和强度。
跳跃效应白炭黑作为纳米级颗粒，其大小和基体材料之间存在很大的差异，这种差异会导致介面张力和应力集中。
当外界施加力量时，白炭黑颗粒和基体之间的界面会出现断裂和位移现象，从而吸收和分散应力，提高复合材料的韧性。
锚固效应白炭黑的表面具有较高的表面能和活性官能团，能够与基体材料发生化学吸附和物理吸附作用。
这种吸附作用可以形成更强的界面粘合力，从而增加了复合材料的界面强度和耐久性。
桥接效应白炭黑的富勒烯和碳纳米管结构具有良好的空间网络结构，可以在基体材料中形成桥梁效应。
这种桥梁效应可以有效地分散和排列基体材料中的纤维和颗粒，进一步提高复合材料的均匀性和强度。
白炭黑补强在工业中的应用基于白炭黑补强的原理，科学家们已经在工业生产中广泛应用了白炭黑。
以下是一些典型的应用领域：橡胶白炭黑可以提高橡胶制品的力学性能和耐磨性。
在橡胶制品中添加适量的白炭黑，可以改善橡胶的断裂强度、抗张强度和耐磨性，延长橡胶制品的使用寿命。
塑料白炭黑可以增强塑料制品的刚性和强度。
炭黑在橡胶里面的增强机理
炭黑在橡胶里面的增强机理
炭黑作为一种常见的填料，可以在橡胶中起到很好的强化作用。
其主
要机理如下：
1.提高界面粘附力：炭黑表面的亲疏水性能能够吸附橡胶分子，增强
炭黑与橡胶的相互作用力，促进颗粒与橡胶基质之间的粘附，从而增强复
合材料的力学性能。
2.增加形态刚度：炭黑颗粒的硬度和刚度远高于橡胶分子，可以有效
地增加橡胶的形态刚度，提高材料的弹性模量和强度。
3.促进硫化反应：炭黑表面含有丰富的活性基团，能够吸附橡胶分子，增加其接受硫醇羟基的能力，促进橡胶与硫醇发生交联反应，从而增强材
料的耐热性和耐磨性。
4.增加热导率：炭黑颗粒的导热性能良好，能够有效地增加橡胶复合
材料的导热性能，提高材料的热稳定性和抗老化性能。
综上所述，炭黑作为一种重要的橡胶填料，能够改善橡胶材料的力学
性能、耐热性、耐磨性和尺寸稳定性等方面的性能，广泛应用于橡胶工业中。
橡胶炭黑补强原理
橡胶炭黑补强原理
橡胶炭黑是一种常见的橡胶补强材料，它通过添加炭黑颗粒到橡胶中，能够显著提高橡胶的力学性能和耐磨性能。
炭黑补强原理涉及到炭黑颗粒的物理属性和橡胶基体的化学结构。
首先，炭黑是一种碳纳米颗粒，具有大比表面积和高比表面积活性。
当炭黑与橡胶基体混合时，炭黑颗粒能够填充橡胶的空隙，增加橡胶间的物理相互作用力，从而增加橡胶的拉伸模量、强度和硬度。
此外，炭黑的高比表面积活性也能吸附橡胶链端的自由基，从而促进橡胶分子间的交联反应，进一步增加橡胶的强度和硬度。
其次，炭黑还具有催化效应。
在橡胶加工过程中，加热和加速剂等因素都会产生自由基，这些自由基能够导致橡胶分子的交联反应。
炭黑能够吸附这些自由基，进而进一步促进橡胶分子间的交联反应，形成更强的交联结构，增强橡胶的力学性能和耐久性能。
除了以上两个原理，炭黑还具有良好的分散性和亲和力。
由于炭黑颗粒表面带有极性功能团，能够与橡胶基体中的丙烯酸或羟基等活性基团形成氢键或物理吸附作用，从而增加炭黑和橡胶间的结合力，并促进炭黑的分散。
当炭黑充分分散在橡胶中时，能够最大程度地发挥其补强效果。
总体来说，橡胶炭黑补强原理涉及到多种物理和化学作用。
通过增加橡胶链间的
物理作用力、促进分子间的交联反应、优化炭黑的分散和亲和力等方式，能够显著提高橡胶的力学性能、耐久性能和耐磨性能。
因此，炭黑是一种重要的橡胶补强材料，广泛应用于汽车轮胎、橡胶密封件、工业橡胶制品等行业中。
关于纳米炭黑补强橡胶机理讨论
技术交流关于纳米炭黑补强橡胶机理讨论康 永榆林市瀚霆化工技术开发有限公司, 陕西榆林 718100摘 要：填料是橡胶工业的主要原料之一，属粉体材料。
填料用量相当大，几乎与橡胶本身用量相当。
含有填料的橡胶是一种多相材料。
填料能赋与橡胶许多宝贵的性能。
例如，大幅度提高橡胶的力学性能，使橡胶具有磁性、导电性、阻燃性、彩色等特殊的性能，使橡胶具有好的加工性能，降低成本等作用。
炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料。
可以毫不夸张地说，没有炭黑工业便没有现代蓬勃发展的橡胶工业。
炭黑耗量约占橡胶耗量的一半。
许多无机填料主要来源于矿物，价格较低，它们的应用范围也越来越广泛。
在橡胶工业中它们的用量几乎达到了与炭黑相当的程度。
特别是近来无机填料表面改性技术的研究与应用，使无机填料的应用领域更加广泛。
填料性质对于填充聚合物体系的加工性能和成品性能具有决定性的影响。
本文探讨了炭黑补强橡胶机理，以促进炭黑在橡胶应用中理论研究。
关键词：橡胶填料；补强机理；微观结构；力学性能Discussion on the mechanism of nano-carbon black reinforced rubberKangyong(Yulin Hanting Chemical Technology & Development Co., Ltd., YuLin 718100, China)Abstract:Filler is one of the main raw materials in rubber industry, which belongs to powder material. The amount of filler is quite large, almost equal to the amount of rubber itself. Rubber containing fillers is a heterogeneous material. Fillers offer many valuable properties to rubber.For example, the mechanical properties of rubber are greatly improved, so that rubber has special properties such as magnetism, electrical conductivity, flame retardancy, color and so on. Carbon black is the most important reinforcing filler in rubber industry. It is no exaggeration to say that there can be no modern and thriving rubber industry without the carbon black industry. Carbon black consumption accounts for about half of rubber consumption. Many inorganic fillers The material mainly comes from mineral, the price is lower, their scope of application is more and作者简介：康永(1981-)，男，陕西富平人。
炭黑补强_精品文档
2．炭黑的二次结构
炭黑的二次结构又称为附聚体、凝聚 体或次生结构，它是炭黑聚集体间以范德 华力相互聚集形成的空间网状结构，这种 结构不太牢固，在与橡胶混炼时易被碾压 粉碎称为聚集体。
炭黑的结构性与炭黑的品种及生产方法有关， 采用高芳香烃油类生产的高耐磨炉黑，有较高的 结构性；瓦斯槽黑只有2~3个粒子熔聚在一起； 而热裂法炭黑几乎没有熔聚现象，其粒子呈单个 状态存在。所以一般将炭黑结构性分为低结构、 正常结构和高结构三种。
26~30
N110 N220I N330 N440 N550 N660 N765 N880 N990 S212I
S315
SAF
超耐磨炉黑
SAF
中超耐磨炉黑
HAF
高耐磨炉黑
FF
细粒子炉黑
FEF
快压出炉黑
GPF
通用炉黑
SRF-HS 高结构半补强炉黑
FT
细粒子热裂法炭黑
MT
中粒子热裂法炭黑
SAF-LS-SC
近年来无机填料的发展也很快，主要表现 在粒径微细化、表面活性化、结构形状多 样化三方面。从填料来源看对工业废料的 综合利用加工制造填料发展也较快。
§2 炭黑的生产、分类和命名 一．炭黑的定义
炭黑是由许多烃类物质（固态、液态或气 态）经不完全燃烧或裂解生成的。它主要由碳元 素组成，其微晶具有准石墨结构，且呈同心取向， 其粒子是近乎球形的粒子，而这些粒子大都熔结 成聚集体。
算术平均粒径，是一种最常用的平均粒径：
dn
1 N
h
di
f
* i
i1
h
di fi
i1
表面平均直径有时也称为几何平均直径，它的定义如下：
dS
f
炭黑补强机理
填料的性质对橡胶橡疲劳老化的影响
活性填料
活性填料有较大的比表面积和较强的表面活性，能使 橡胶分子在其粒子表面形成一层致密的结构，使体系中橡 胶分子空间分布的均匀性差异很大，在疲劳过程中这种不 均质的状态容易产生应力集中现象，从而加速了疲劳老化 过程。
活性小的填料
活性小的填料对橡胶分子的吸附能力小,在离子表面 上不能形成致密的结构，应而橡胶分子的空间分布较为均 匀，在疲劳过程中橡胶分子受较小的束缚而具有较大的活 动性，并易从填料粒子表面上脱落下来,减轻体系的不均 质程度,结果出现了较好的耐疲劳老化性 。
A相—进行微布朗运动的橡胶分子链； B相—交联团相；C相—被填料束缚的橡胶相
C相中有物理吸附和化学结合
物理吸附
当炭黑和橡胶分子在湿 润温度以上混炼时，橡 胶分子链可以进行较强 的分子热运动，进入炭 黑粒子的吸引力界限以 内，并被炭黑粒子表面 吸附取向。此状态为橡 胶对炭黑的浸润状态。 若温度低于流动温度， 分子链运动能力弱，不 能进入炭黑吸引范内， 则补强效果不理想。
炭黑填充的硫化胶的结合胶模型
A相—进行微布朗运动的橡胶分子链； B相—交联团相；C相—被填料束缚的橡胶相
C相（结合橡胶 区），橡胶分子 在炭黑粒子周围 形成的稠密集合、 定向排列、相互 交错的非运动性 结合橡胶层。C 相结构对弹性无 贡献，但对强度 和耐久性能有极
大的补强作用。
炭黑填充的硫化胶的结合胶模型
结束语
谢谢大家聆听！！！
14Leabharlann 活性小的填料活性小的填料对橡胶分子的吸附能力小在离子表面上不能形成致密的结构应而橡胶分子的空间分布较为均匀在疲劳过程中橡胶分子受较小的束缚而具有较大的活动性并易从填料粒子表面上脱落下来减轻体系的不均质程度结果出现了较好的耐疲劳老化性该理论认为炭黑与橡胶生成了微观多相不均匀结构属于一种复合材料的补强机理
炭黑补强-结合橡胶
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3.2 结合橡胶理论
1. 发展历史：
以前普遍认为炭黑对橡胶的补强是炭黑表面的酸性基 团与NR中的碱性基团产生化学作用的结果； 但炉法炭黑代替槽法炭黑后，虽然炉法炭黑表面的酸 性基团比槽法炭黑低10倍多，但其补强性却好得多。 Dannenberg 提出的基于分子吸附的分子链滑动学说 被迅速接受。 实际上，在混炼过程中同样存在化学反应。
1．炭黑比表面积的影响 2．炭黑结构度的影响 3．炭黑粗糙度的影响 4. 炭黑表面活性的影响 5. 炭黑用量的影响
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炭黑比表面积的影响
结合胶几乎与炭黑的比表 面积成正比，随着炭黑比 表面积的增大，吸附表面 积增大，吸附量增加，即 结合橡胶增加。
不饱和度:不饱和橡胶更容易生成结合橡胶；饱
和橡胶对槽法炭黑的亲和力更强。
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生胶的分子量
生胶的分子量:分子量越高，相同的条件下生成
的结合橡胶量越高。这是因为一个大分子可能 只有一两点被吸附住，但这时它的其余链部分 都是结合胶。
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炭黑粗糙度的影响
炭黑的粗糙度越高，表面的微孔越多，
可与橡胶分子触及的表面积越少，形成 的结合橡胶越少。
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炭黑表面活性的影响
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的表面后 ， 得到炭黑粒子表面的鳞片状石墨微 晶组成 的精细结构模 型 ， 本文分 析讨论 了炭黑的这 种表面精细结 构对橡胶的朴强机制 ， 是炭黑 对橡 胶朴强作用的决定性因素 。
关键词 炭黑 表面精 细结 构 补强 物理机制
１ 前
言
射来确定 的 。这些 研究使 人们 建立起 由镦 晶
型、 炭黑周边的橡胶 高次构造、 留橡胶 、 吸 应
力软 化现 象 、 子 链 滑 动 理 论 、 料 网 络理 分 填
论。
离， 某些电子可 以隧道效应从 样品迁移到电 极上 。ＳＭ法 可 以将 在 ｘ—Ｙ方 向上 的形 态 Ｔ
应变产 生 的隧道 电流形 象化成 图形 。隧道 电
Ｍ ｄｌ 在研究 中得出， ｅ ｉ ａａ 橡胶分子链在炭
种模式在 ｚ方向上具有较高的分辨力 ， 适用
于研 究原 子 级的表 面 。
在低倍放大率 时， 炭黑 的表面显示出由 许多小物体紧密排布的结构 。在高倍放大率 时 ， 以精确 地 观察 到粒 子 的表 面 显现 出明 可
显的 差 异 。粒 子 表 面 似 乎 是 由 许 多 小 的 ｖ 形 区域构 成 ， 它们 是 高度 有组 织 的 区域 。而 且， 在原 子 级 分辨 率 时 ， Ｓ Ｍ 看见 的原 子 用 Ｔ 呈现 出 ０２ ．５×０４ｌ 的矩 形 排 布 。在 有 些 ． １ ０
黑表面的作用 ，５ ９ ％以上是范德华力起主要 作用的物理吸附 ， 只有不到 ５ ％的作用是 化
学 吸附… 。 １
流密度依赖于 电极 与样品表面之 间的间隔 ， 还依赖于观察到的原子电荷密度。 在实际应用 中， 采用两种不 同的测量模
式
在早期的研究 中， 透射式电子显微镜只
是从 形 态上揭示 了炭 黑是 以球态原 生粒 子的
① 恒电流
扫描模式是 移动 ｚ方 向的
聚集体形式存在。进一步的相衬电子显微镜 发现 ， 这些粒子是 由微石 墨晶体 以同心 圆的
探针 ， 并保持隧道 电流恒定 ， 可测量出探针在 ｚ方 向上 的变 化 ， 得 固体 表 面的 三维 图形 。 获 这种模式适用于研究低倍放大图形。 ② 恒 高度 其 扫描 模式 是 测量 每个 ｘ， Ｙ点的 隧道 电流 时， 持探针 的高度 （ 保 ｚ方
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第 ３期
邓 较 ： 黑 时橡 肢 补 强 的 物 理 机 制 炭
２ １
炭 黑 对 橡 胶 补 强 的 物 理 机 制
邓
摘 要
毅
（ 中橡 集 团炭 黑工业研 究设 计 院 ６３ ０ ） ４ ０ ０
炭黑对橡胶的补 强理论有数十种之多 。在用扫 描隧道 电子 显微镜 （ Ｔ 研 究 了炭黑 ｓ＿ Ｍ）
年来 ， ｏ ｅ等人用 扫描隧道 电子显微镜 法 Ｄｌ ｔ ｍ
（Ｔ 系统研 究 了炭 黑 的表 面 。此外 还 有 原 ＳＭ） 子力 显微 技术 （ Ｆ 和 横 向‘ Ｍ Ａ Ｍ） Ｈ Ｎ Ｒ弛豫 渡
谱技术 。
ＳＭ 技术 是在 电极 与样 品之 间施加偏 压 Ｔ 电压 ， ｚ方 向 上相互 分离 仅 几 个纳 米 的 距 在
体和“ 无定形” 区域构成的炭黑表面图形 。碳 原 子上结合 的官能 团被 固定在 “ 元定型 ” 区域 内 。这 种模 型 已基 本被 接受 。
２ 扫描 隧道 电子显 微镜 法技 术［Ｉ ２＿ ８ ＳＭ 的 出现 仅 十来 年 ， 它 已被 认 为是 Ｔ 但 研 究 固体 导 电材料表 面 的一种 可选技术 。近
地方可见对称 的三角形石墨层 ， 而且这些组 织具 有清 晰的 ｖ形 边 界 ， 并在 粒 子 表面 呈 现
叠状 分 布 。由于 它们 的形状 和排 布 ， 之 为 称 “ 鳞状 物 ” 。 这样 ， 就得 到了 炭黑粒子 的表 面结构 ， 是
由许多石墨层末端相互重叠而形成的 ， 它们 组成鳞状排布（ １。由于独立鳞片的原子 图 ） 矩形排列具有相 同的方向， 可以假定它们的 排布不是偶然形成的。粒子表面的排布显示 出有一 定 的组 织 性 。表 １ Ｎ ３ 是 ３９和 ２＃试 验炭黑表面突出物的垂直高度ｌ。 ３ Ｊ
我 们 把 炭黑 表 面 高 ２～３ ｍ 宽 ３— ｉ ｒ， ５ｍ ｌ的尖锐棱角称之为炭黑表面 的“ ｉ ｒ ４ 精细 结构” 。炭黑 表 面 的这 种 精 细结 构 如 同是 用
方解 石装 饰 的墙 面 一样 黑 的石 墨 状 在炭黑表 面上形成 一层 凹 凸不 平 的 棱 角 ， 图 ２ 示 如 所 （ 图中炭黑表面的精细结构有所夸张） 。
形式排列 ， 石墨晶体 的方向是由 Ｘ一射线衍
＊ 车文 为 如∞ 全国炭黑技术研讨会 论文。
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２ ２
炭
黑
工
业
２０ Ｏ ２正
向） 基本 不变 ， 测量 出探针上 电流 的变 化。这
３ 炭 黑表 面 的精 细 结构 与 橡 胶 物理 性 能的 相关 性 ３． 炭黑 表面 的精 细 结构 １
几十年来 ， 许多实验室都进行 了炭黑 的 物理化学性能研究 ， 获得的共识是炭黑对于 橡胶的补强作用是 由炭黑所特有的基本性质 所决定的， 如炭黑柱子越细 ， 结构越高 ， 补强 性 越 好 。 实 验 证 明 ， 黑 比 表 面 积 大 于 炭 ５ｍ ／ 时 ， ０ ２ｇ 才能有较好 的补强性 。即炭黑粒 径小于 ５ｒ ０ｍ时， ｉ 才能进入 硫化胶 的交联 网 络之 间 ， 橡胶 分 子才 能 充分 吸 附 在炭 黑 粒子 表面 ， 并牢牢地结合在一起 。 对于炭黑的补强 作用， 去人们提出过 过 许多补强理论 ， 力求说明橡胶与炭黑的相互 作用机制， 主要有 ： 流体力学作用、 结合胶模
图 ２ 炭 黑表 面的精 细 结构示 意 图
３ ２ 炭 黑表面精细结构与橡胶物理机械性 ．