炭黑补强机理PPT课件
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白炭黑的性能与运用PPT图文全
+ H2 O - 2 * ROH
O R' R' Si O Si O Si O Si O
RO O Si O O Si OR RO O Si RO
R' R'
RO OH RO Si RO
1. hydrolysis 2. coupling - ROH
Si O
OH
RO RO Si RO
R'
R'
R'
初级反应
二级反应
进剂. 降低填料间的相互作用 提高填料-橡胶间的相互作用
可以达到
提高工艺性能 优化硫化性能 提高补强性能
白炭黑与橡胶基体的润湿合相容性
相容
白炭黑
相容 聚合物
差
佳
用 PEG, RT1987, 作为白炭黑的表面必改性剂
能改善白炭黑表面与聚合物的相容性。
能更好地改善白炭黑与橡胶的亲和性，降低白炭黑与白炭黑 之间的作用力。
沉淀法白炭黑的基本特征性能 1) 比表面积
比表面积决定于基本粒子的尺寸大小
基本粒子: 球形 (半径 R) 半径
R
表面积 : S = 4 p R
体积 : V = 4/3 p R3
质量 : M = Vxd
(d : density = 2)
比表面积就是每克白炭黑的表面积:
SSA= 1 3 d R (m2/g)
2
1.5
对补强来说,只有第二 步吸附是有效的
(小于1 µm的孔)
1000 100 10
1
粒子间孔容
0.5
1
0.1
0.01
0 0.001
孔直径 (µm)
cumulated porous volume (ml/g)
O R' R' Si O Si O Si O Si O
RO O Si O O Si OR RO O Si RO
R' R'
RO OH RO Si RO
1. hydrolysis 2. coupling - ROH
Si O
OH
RO RO Si RO
R'
R'
R'
初级反应
二级反应
进剂. 降低填料间的相互作用 提高填料-橡胶间的相互作用
可以达到
提高工艺性能 优化硫化性能 提高补强性能
白炭黑与橡胶基体的润湿合相容性
相容
白炭黑
相容 聚合物
差
佳
用 PEG, RT1987, 作为白炭黑的表面必改性剂
能改善白炭黑表面与聚合物的相容性。
能更好地改善白炭黑与橡胶的亲和性，降低白炭黑与白炭黑 之间的作用力。
沉淀法白炭黑的基本特征性能 1) 比表面积
比表面积决定于基本粒子的尺寸大小
基本粒子: 球形 (半径 R) 半径
R
表面积 : S = 4 p R
体积 : V = 4/3 p R3
质量 : M = Vxd
(d : density = 2)
比表面积就是每克白炭黑的表面积:
SSA= 1 3 d R (m2/g)
2
1.5
对补强来说,只有第二 步吸附是有效的
(小于1 µm的孔)
1000 100 10
1
粒子间孔容
0.5
1
0.1
0.01
0 0.001
孔直径 (µm)
cumulated porous volume (ml/g)
炭黑seantaPPT课件
碳黑試樣需知
• 配方: 1.色濃度 2.顏基比 3.分散劑/顏料比 • 工藝: 1.球磨(快手)或砂磨 2.研磨時間 • 實驗室對比或工廠實際結果:
40
炭黑色漿的合理設計
色濃度: - 高色素炭黑 (8-17nm) -- 6-8% - 中色素炭黑 (18-30nm) – 10% - 低色素炭黑(>30nm) – 10-15% 顏基比: - 高色素炭黑 – 1:4-1:6 - 中色素炭黑 – 1:3-1:4 - 低色素炭黑 – 1:2-1:3 分散劑用量:(對炭黑) - 高色素炭黑 – 0.5-1:1 - 中色素炭黑 – 0.5:1 - 低色素炭黑 – 0.3:1
17
炭黑的形态和微观结构
The Distinction Between Particle and Aggregate Size
Mean Particle Size ~ 8 to 100 nm
Mean Aggregate Size ~ 50 to 300 nm
最小可分散粒子(聚集体)
18
黑度与粒径
14
色素碳黑特性对涂料的影响
• 平均原生粒径
• 表面化学 • 结构
15
原生粒子(一次粒子) -- Particle
聚集体(二次粒子) -- Aggregate
附聚体(三次粒子) -- Agglomerate
Agglomerate Size 附聚体尺寸
Aggregate Size 聚集体尺寸
Primary Particle 基本颗粒
应用于某些特殊领域，不可取代。原 生粒子粒径大，分布广，不易凝团， 且相对填实密度高，黑度近似气黑法
热法 乙炔黑法
石油（油类） 通过热分解液态或气态的碳氢化合物
《炭黑补强机理》课件
炭黑的聚集态结构可以通过 控制生产工艺来调整
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
添加标题
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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
添加标题
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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
炭黑补强机理
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； 相 进行微布朗运动的橡胶分子链 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 交联团相； 相 被填料束缚的橡胶相 相 交联团相
C相（结合橡胶 相 ），橡胶分子 区），橡胶分子 在炭黑粒子周围 形成的稠密集合、 形成的稠密集合、 定向排列、 定向排列、相互 交错的非运动性 结合橡胶层。 结合橡胶层。C 相结构对弹性无 贡献，但对强度 贡献， 和耐久性能有极 的补强作用。 大的补强作用。
措施
提高填料粒子 的分散度（ 的分散度（降 低炭黑等填料 的粒径） 的粒径）和采 用表面活性剂 以提高填料粒 子对橡胶的浸 润性， 润性，有助于 补强效果。 补强效果。
化学结合
在混炼时橡胶分子断裂成自由基， 在混炼时橡胶分子断裂成自由基，与 炭黑表面的活性中心发生结合作用， 炭黑表面的活性中心发生结合作用，或炭 黑表面含氧基团和自由基在硫化时与橡胶 分子发生交联作用形成化学结合。
橡胶大分子链滑动学说
该理论的核心 核心是橡胶大分子能在炭黑表面上 该理论的核心是橡胶大分子能在炭黑表面上 滑动，由此解释了补强现象。 滑动，由此解释了补强现象。炭黑粒子表面的活 性不均一， 性不均一，有少数强的活性点以及一系列的能量 不同的吸附点。 不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以 有各种不同的结合能量， 有各种不同的结合能量，由多数弱的范德华力的 吸附以至少量强的化学吸附。 吸附以至少量强的化学吸附。吸附的橡胶链段在 应力作用下会滑动伸长。 应力作用下会滑动伸长。
综上，炭黑补强作用主要是， 综上，炭黑补强作用主要是，炭黑的加入改变了橡 胶的结构，产生了C相结构 在硫化胶中， 相结构。 胶的结构，产生了 相结构。在硫化胶中，若炭黑得到 较好的分散，并且每个炭黑粒子表面都形成C相结构 相结构， 较好的分散，并且每个炭黑粒子表面都形成 相结构， C相起着骨架作用联结 相和 相。构成一个橡胶大分子 相起着骨架作用联结A相和 相起着骨架作用联结 相和B相 与填料整体网络，改变了硫化胶的结构， 与填料整体网络，改变了硫化胶的结构，因而提高了硫 化胶的物理机械性能。 化胶的物理机械性能。
炭黑补强PPT学习教案
当时可能是为了防止光老化。后来制作胶丝时曾用滑石粉作隔离剂。 在Hancock发明混炼机后，常在橡胶中加入陶土、碳酸钙等填料。 1904年，S. C. Mote用炭黑使橡胶的强度提高到28.7MPa，但当时并未
引起足够的重视。 在炭黑尚未成为有效补强剂前，人们用氧化锌作补强剂。一段时间
后，人们才重视炭黑的补强作用。
由四个字组成，第一个符号为N或S，代表硫化速度。其中N表示正 常硫化速度；而S表示硫化速度慢。N及S符号后有三个数，第一位 数表示炭黑的平均粒径范围；第二位和第三位数无明确意义，代表 各系列中不同牌号间的区别。其粒径按电镜法测得的数据划分为10 个范围，橡胶用炭黑粒径范围在11-500nm之间。
第14页/共119页
第21页/共119页
2．炭黑的比表面积 炭黑表面积是指单位质量或单位体积（真实
体积）中炭黑粒子的总表面积，单位为m2/g或 m2/cm3。炭黑的比表面积有外表面积（光滑表 面）、内表面积（孔隙表面积）和总表面积（外 表面积和内表面积之和）之分。
第22页/共119页
3.比表面积的测定方法 （1）用电子显微镜测定炭黑的粒径及比表面积 （2）BET法测定炭黑的比表面积 （3）碘吸附测定比表面积 （4）大分子表面活性剂吸附法测比表面积 （5）测定炭黑比表面积的其它方法
图3-3 炭黑的表面基团示意图
第41页/共119页
炭黑表面的含氧基团 含氧基团有羟基、羧基、酯基及醌基。这些基团含量对炭黑水
悬浮液的PH值有重要作用，含量高，PH值小，反之亦然。例如槽 法炭黑水悬浮液的PH值在2.9~5.5间，炉法炭黑PH值一般在7~10间。
O CO H
O H
O CH 2 O O
ASTM系列 1~10 N100 N200 N300 N400 N500 N600 N700 N800 N900 S200
引起足够的重视。 在炭黑尚未成为有效补强剂前，人们用氧化锌作补强剂。一段时间
后，人们才重视炭黑的补强作用。
由四个字组成，第一个符号为N或S，代表硫化速度。其中N表示正 常硫化速度；而S表示硫化速度慢。N及S符号后有三个数，第一位 数表示炭黑的平均粒径范围；第二位和第三位数无明确意义，代表 各系列中不同牌号间的区别。其粒径按电镜法测得的数据划分为10 个范围，橡胶用炭黑粒径范围在11-500nm之间。
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2．炭黑的比表面积 炭黑表面积是指单位质量或单位体积（真实
体积）中炭黑粒子的总表面积，单位为m2/g或 m2/cm3。炭黑的比表面积有外表面积（光滑表 面）、内表面积（孔隙表面积）和总表面积（外 表面积和内表面积之和）之分。
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3.比表面积的测定方法 （1）用电子显微镜测定炭黑的粒径及比表面积 （2）BET法测定炭黑的比表面积 （3）碘吸附测定比表面积 （4）大分子表面活性剂吸附法测比表面积 （5）测定炭黑比表面积的其它方法
图3-3 炭黑的表面基团示意图
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炭黑表面的含氧基团 含氧基团有羟基、羧基、酯基及醌基。这些基团含量对炭黑水
悬浮液的PH值有重要作用，含量高，PH值小，反之亦然。例如槽 法炭黑水悬浮液的PH值在2.9~5.5间，炉法炭黑PH值一般在7~10间。
O CO H
O H
O CH 2 O O
ASTM系列 1~10 N100 N200 N300 N400 N500 N600 N700 N800 N900 S200
2024版气相法白炭黑PPT课件
水分含量过高会影响白炭黑的性能和储存稳 定性，需采用干燥失重法进行测定。
实验室检测方法介绍
化学分析法
通过化学反应测定白炭 黑中SiO2的含量，常用 方法有重量法和容量法。
仪器分析法
采用光谱、色谱等仪器 分析方法对白炭黑的成 分、结构等进行测定， 如红外光谱法、X射线 衍射法等。
物理性能测试
对白炭黑的吸油值、硬 度、耐磨性等物理性能 进行测试，以评价其应 用性能。
白炭黑定义
白炭黑是一种白色、无毒、 无定型的微细粉状物，主 要成分是二氧化硅。
物理性质
具有高的比表面积、多孔 性、吸附性强、化学性质 稳定等特点。
化学性质
不溶于水、酸和碱，也不 与这些物质发生反应，但 在高温下能与碱金属氧化 物发生反应。
气相法制备原理
气相法定义
气相法是一种通过化学反应在气相中 直接合成白炭黑的方法。
生产过程中的安全防护措施
生产设备安全
介绍气相法白炭黑生产过程中涉及的主要设备及其安全操作规程， 如反应釜、输送管道、阀门等。
个人防护措施
阐述员工在生产过程中应佩戴的个人防护用品，如防毒面具、防护 服、手套等，以及正确的佩戴方法和更换周期。
应急救援措施
列出针对可能发生的生产安全事故的应急救援措施，如泄漏处理、火 灾扑救、人员疏散等，以及相应的应急演练和培训要求。
废水处理及循环利用
废水来源及性质
01
说明气相法白炭黑生产过程中废水的主要来源，以及废水的性
质、成分和危害。
废水处理工艺
02
详细介绍废水的处理流程，包括物理、化学和生物处理方法的
应用，以及不同工艺之间的比较和选择。
废水循环利用
03
探讨废水循环利用的可行性和方法，如回用于生产、农业灌溉
炭黑补强
1．按制造方法分 （1）接触法炭黑：接触法炭黑，其中包括槽法炭黑、滚筒法炭黑和圆
盘法炭黑。
槽法炭黑转化率大约为5%。其特点是含氧量大（平均可达 3%），呈酸性，灰分较少（一般低于0.1%）。 （2）炉法炭黑： 炉法炭黑的特点是含氧量少（约1%），呈碱性，灰分较多 （一般为0.2%~0.6%），这可能是由于水冷时水中矿物质带来的。
传统橡胶补强：CB、白CB、有机树脂、 纤维、聚合物共混等 新兴补强：纳米技术
炭黑补强体系
1．炭黑的生产、分类与命名
2．炭黑的组成与结构
3．炭黑的物理和化学性质 4．炭黑对橡胶的补强作用 5．炭黑对橡胶工艺性能的影响 6．炭黑的补强机理
§１橡胶补强与填充的历史与发展
年发明了二氧化硅气相法白炭黑。
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。
（3）热裂法炭黑：转化率30%~47%。炭黑粒子粗大，补
强性低，含氧量低（不到0.2%），含碳量达99%以上。
（4）新工艺炭黑：新工艺炭黑的聚集体较均匀，分布较窄， 着色强度比传统的高十几个单位，形态较开放，表面较光 滑。N375、N339、N352、N234、N299等均为新工艺炭 黑。
2．按作用分：
橡胶工业中填料的历史几乎和橡胶的历史一样长。
二零二三年优质公开课炭黑pptx
丁苯橡胶（SBR）
选择中等粒径、中等结构的炭黑，如 N660、N770等，以平衡SBR的强度、 耐磨性和加工性能。
配方设计原则与技巧
根据橡胶制品的性能 要求选择合适的炭黑 品种和用量。
通过实验确定最佳混 炼工艺和硫化条件， 以获得最佳的补强效 果。
注意炭黑与其他配合 剂（如增塑剂、防老 剂等）的相容性和相 互作用。
3
颜料填充作用机制 炭黑在涂料中起到颜料填充作用，通过填充涂层 中的空隙，提高涂层的致密性和机械强度。
油墨中炭黑分散稳定性研究
01
炭黑在油墨中的应用
炭黑是油墨中的重要颜料，用于提高油墨的遮盖力、着色力和印刷适性。
02
分散稳定性对油墨性能的影响
炭黑在油墨中的分散稳定性直接影响油墨的流动性、干燥性和印刷质量。
抗紫外线剂配合使用
与抗紫外线剂配合使用，进一步增强塑料的抗紫外线性能。
稳定性增强
通过添加炭黑，提高塑料的热稳定性和化学稳定性，以适应更恶 劣的环境条件。
案例分析：优化塑料产品性能
案例一
通过添加特定类型的炭黑，改善汽车保险杠的耐 候性和抗冲击性能。
案例二
在塑料管道中添加炭黑，提高管道的耐压强度和 耐腐蚀性。
THANKS
感谢观看
反应过程
在高温和缺氧条件下，使 原料进行不完全燃烧或热 裂解反应，生成炭黑。
后处理
通过冷却、收集、筛分等 步骤，得到成品炭黑。
应用领域及市场需求
应用领域
炭黑广泛应用于橡胶、塑料、涂料、 油墨、化纤等领域，作为补强剂、填 充剂、着色剂等使用。
市场需求
随着橡胶、塑料等行业的快速发展，炭 黑市场需求不断增长。同时，环保要求 的提高也促使炭黑行业向绿色、低碳方 向发展。
第四章--填充补强体系ppt课件(全)
片状 树脂填料
概述
§6－1炭黑的结构、常用品种的性能与应用
一、 CB的分类 二、 CB的命名 三、 CB的制造 四、炭黑的结构与性质 五、炭黑补强机理 六、炭黑的性能与应用 七、炭黑的选用原则
填充补强体系
一、CB的分类
1、按制造方法分 接触法CB
天然气槽法CB 混气CB（包括槽法和无槽法）
滚筒法CB 气炉法CB，如天然气半补强CB
图 4-3 槽法CB的制造
1、CB；2、槽铁；3、火燃；4、火嘴；5、火房； 6、接料斗；7、槽铁和火燃；8、空气
1、输气管 2、火嘴 3、滚筒 4、刮刀 5、碳黑贮斗 6、螺旋输送器
图 4-4 生产滚筒法CB基本设备示意图
1、加热的空气和天然气入口2、裂解天然气3、喷水冷却4、 袋滤器5、氢气分离6、螺旋输送器7、贮槽8、装袋9、阀门
七、炭黑的选用原则
1.根据产品的特性要求进行选择 2.根据使用胶种及制品的工艺操作要求进行选择 3.根据并用的要求来选择 （1）多方面性能的要求 （2）便于工艺操作 （3）降低成本
表6-3胶种与炭黑之间的选择参考
炭黑品种
橡胶品种
超耐
中超耐
高耐
槽
快压
半补
通用
热裂
细粒
高定伸
磨炉
磨炉黑
磨炉
黑
出炉
强炉
炉黑
—
—
—
—
图6-3 分子链滑动补强机理示意图
六、炭黑的性能与应用
13个主要系列CB 1、特性 2、主要品种 3、应用
1．N100系列炭黑 2.N200系列炭黑 3．N300系列炭黑 4．导电炭黑的 5．N500系列炭黑 6．N600系列炭黑 7．N700系列炭黑 8．N800～900系列炭黑 9．代槽炉黑 10.槽黑 11.半补强炉黑系列炭黑 12.喷雾炭黑 13.乙炔炭黑
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。
填充体系 PPT
白炭黑是指硅酸和硅酸盐类物质的白色填料，在橡 胶中的补强作用接近于炭黑，因而称为“白炭黑”；
主要成分为二氧化硅聚合体； 粒径在10-100nm左右。
1.白炭黑的生产工艺及特点
干法：又叫气相法白炭黑，以卤化硅为原料，高 温气相裂解而得。纯度在99%以上，粒径8-15nm； 耗能，价高，用于涂料、牙膏、特种橡胶等。
可以互相讨论下，但要小声点
9
5.炭黑的种类
➢ 按生产方法和原材料可分成五大类：接触法、油基 炉法、气基炉法、热裂法及其它。 接触法炭黑：天然气为原料，燃烧后与冷却的金属接触 而得； 油基炉法炭黑：以原料油为原料，燃烧后水冷而得。如： N220； 气基炉法炭黑：天然气在炉内不完全燃烧而得。如： N550、N660； 热裂法炭黑：天然气在炉中燃烧后，在1300～1400℃下 热裂解而得，如N880； 其它炭黑：如“灯黑”，将油燃烧的烟气冷凝收集而得。 还有直接使用煤炭进行物理粉碎的物理性炭黑。
的二次结构）。
1.炭黑的生产工艺2.炭黑Βιβλιοθήκη 子的形状3.炭黑的放大照片
4.影响炭黑质量的因素
☆ 原料 炼油副产品（乙烯基油）、煤焦油、松焦油等 调节不同粘度的油料可以生产不同品种的炭黑。 ☆ 工艺 反应炉温度、促冷工艺 可以通过炭黑厂原料油储罐的大小估计其产品质
量的稳定性。
大家有疑问的，可以询问和交流
10.炭黑对橡胶的补强机理一
橡胶分子与炭黑粒子的吸附及“容积效应”
10.炭黑对橡胶的补强机理二
橡胶链的有限伸长：均匀应力，减少整体破裂
10.炭黑对橡胶的补强机理三
橡胶分 子的滑 动：补 强、弹 性、应 力松弛、 蠕变
10.炭黑对橡胶的补强机理四
表面吸附层-著名的payne（佩恩）效应
主要成分为二氧化硅聚合体； 粒径在10-100nm左右。
1.白炭黑的生产工艺及特点
干法：又叫气相法白炭黑，以卤化硅为原料，高 温气相裂解而得。纯度在99%以上，粒径8-15nm； 耗能，价高，用于涂料、牙膏、特种橡胶等。
可以互相讨论下，但要小声点
9
5.炭黑的种类
➢ 按生产方法和原材料可分成五大类：接触法、油基 炉法、气基炉法、热裂法及其它。 接触法炭黑：天然气为原料，燃烧后与冷却的金属接触 而得； 油基炉法炭黑：以原料油为原料，燃烧后水冷而得。如： N220； 气基炉法炭黑：天然气在炉内不完全燃烧而得。如： N550、N660； 热裂法炭黑：天然气在炉中燃烧后，在1300～1400℃下 热裂解而得，如N880； 其它炭黑：如“灯黑”，将油燃烧的烟气冷凝收集而得。 还有直接使用煤炭进行物理粉碎的物理性炭黑。
的二次结构）。
1.炭黑的生产工艺2.炭黑Βιβλιοθήκη 子的形状3.炭黑的放大照片
4.影响炭黑质量的因素
☆ 原料 炼油副产品（乙烯基油）、煤焦油、松焦油等 调节不同粘度的油料可以生产不同品种的炭黑。 ☆ 工艺 反应炉温度、促冷工艺 可以通过炭黑厂原料油储罐的大小估计其产品质
量的稳定性。
大家有疑问的，可以询问和交流
10.炭黑对橡胶的补强机理一
橡胶分子与炭黑粒子的吸附及“容积效应”
10.炭黑对橡胶的补强机理二
橡胶链的有限伸长：均匀应力，减少整体破裂
10.炭黑对橡胶的补强机理三
橡胶分 子的滑 动：补 强、弹 性、应 力松弛、 蠕变
10.炭黑对橡胶的补强机理四
表面吸附层-著名的payne（佩恩）效应
炭黑seantaPPT课件
气黑法 煤焦油
源自槽黑法，碳黑产品原生粒子粒径 很小且粒径分布很窄，高纯度高结构， 粒子表面具有明显的亲水性
灯黑法 从石油或煤 而来的芳香 族油类
应用于某些特殊领域，不可取代。原 生粒子粒径大，分布广，不易凝团， 且相对填实密度高，黑度近似气黑法
热法 乙炔黑法
石油（油类） 通过热分解液态或气态的碳氢化合物
10
不同碳黑生产工艺碳黑的粒径分布图
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化学工艺 生产方式 重要原材料 特点
热氧化 分解
热分解
炉黑法
来自煤、石 油或天然气 的芳香族油 类
原材料选择范围广，聚集尺寸可控制， 碳黑性能多种多样，效率最高、经济 效益最好。占炭黑总量的 70％～ 90％。
槽黑法 天然气
污染较大对生态环境造成影响 ，生产 效率低，已停用
较难分散
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• 色素炭黑一般介绍 • 色素碳黑的生产工艺 • 色素碳黑的特性对涂料的影响 • 其它影响碳黑性能的因素 • 色素碳黑的推荐
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色素碳黑特性对涂料的影响
• 平均原生粒径
• 表面化学 • 结构
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原生粒子(一次粒子) -- Particle
聚集体(二次粒子) -- Aggregate
附聚体(三次粒子) -- Agglomerate
Agglomerate Size 附聚体尺寸
Aggregate Size 聚集体尺寸
Primary Particle 基本颗粒
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• 原生粒子---炭黑是由烃类化合物经热分解 而成，在分解过程中，烃类化合物先形成 碳的六元环，并进一步脱氢缩合形成多环 式六角形网状结构层面。这种层面3~5个重 叠则成为晶子，大量晶子无规则的堆砌， 形成了炭黑的球形颗粒。
chap2 2 白炭黑补强
远低于炭黑，其原因是白炭黑具有亲水性，与橡 胶基体之间的相容性差；白炭黑粒子间存在强烈
的相互作用，因此，要对白炭黑进行改性。
白炭黑填充橡胶硫化胶的性能
白炭黑的改性
白炭黑的改性集中在表面改性，有
多种方法，但在橡胶工业中，通常使用的
是通过填料表面对某些改性剂的吸附进行
表面化学改性和物理改性。
白炭黑的改性
白炭黑的改性
硅烷改性白炭黑主要有两种方法:干法和湿法。
干法有两种混合方法。一是用液态改性剂或稀释的改性剂 喷在一定温度下搅拌翻动的填料中混合；二是在聚合物混
炼时将改性剂与填料一起加入机械混炼。
湿法也有两种混合方法。一是改性剂水溶液，乳液或改性 剂直接加到填料水悬浮液中搅拌反应、除水、干燥；二是 填料悬浮于改性剂的溶液中，让其吸附改性剂，再除溶剂， 干燥。
对硫化促进剂有较强的吸附作用，因此明显地迟延 硫化。
白炭黑表面吸附水与焦烧时间的关系
为了避免这种现象，一方面可适当地提
高促进剂的用量；另一方面可采用活性剂，使
活性剂优先吸附在白炭黑表面，使得白炭黑表
面的硅烷醇基团被遮蔽， 可有效阻止促进剂被
吸附ห้องสมุดไป่ตู้防止迟延硫化现象，。
活性剂一般是含氮或含氧的胺类、醇类、醇胺类
白炭黑补强体系
白炭黑
合成二氧化硅(二氧化硅的微细粉末) 因具有仅 次于炭黑的补强性而被称为白炭黑。
白炭黑根据制造方法大致可分为湿法白炭黑 (水合硅酸) 和干法白炭黑(无水硅酸) 两种。 干法白炭黑主要用作硅橡胶的补强剂， 但其成 本较高, 而且加工性能方面也有一定难度，因 此，橡胶通常使用湿法白炭黑。
这样既可减少或消除白炭黑表面的硅醇基团，又可增加白
的相互作用，因此，要对白炭黑进行改性。
白炭黑填充橡胶硫化胶的性能
白炭黑的改性
白炭黑的改性集中在表面改性，有
多种方法，但在橡胶工业中，通常使用的
是通过填料表面对某些改性剂的吸附进行
表面化学改性和物理改性。
白炭黑的改性
白炭黑的改性
硅烷改性白炭黑主要有两种方法:干法和湿法。
干法有两种混合方法。一是用液态改性剂或稀释的改性剂 喷在一定温度下搅拌翻动的填料中混合；二是在聚合物混
炼时将改性剂与填料一起加入机械混炼。
湿法也有两种混合方法。一是改性剂水溶液，乳液或改性 剂直接加到填料水悬浮液中搅拌反应、除水、干燥；二是 填料悬浮于改性剂的溶液中，让其吸附改性剂，再除溶剂， 干燥。
对硫化促进剂有较强的吸附作用，因此明显地迟延 硫化。
白炭黑表面吸附水与焦烧时间的关系
为了避免这种现象，一方面可适当地提
高促进剂的用量；另一方面可采用活性剂，使
活性剂优先吸附在白炭黑表面，使得白炭黑表
面的硅烷醇基团被遮蔽， 可有效阻止促进剂被
吸附ห้องสมุดไป่ตู้防止迟延硫化现象，。
活性剂一般是含氮或含氧的胺类、醇类、醇胺类
白炭黑补强体系
白炭黑
合成二氧化硅(二氧化硅的微细粉末) 因具有仅 次于炭黑的补强性而被称为白炭黑。
白炭黑根据制造方法大致可分为湿法白炭黑 (水合硅酸) 和干法白炭黑(无水硅酸) 两种。 干法白炭黑主要用作硅橡胶的补强剂， 但其成 本较高, 而且加工性能方面也有一定难度，因 此，橡胶通常使用湿法白炭黑。
这样既可减少或消除白炭黑表面的硅醇基团，又可增加白
白炭黑的性能与运用PPT图文全
初始颗粒大小
Silica A Silica B
Silica C
N 774
N 550
N 220
N 110
沉淀法白炭黑真实光学显微照片
( X60倍放大)
微珠状 => 具有良好的分散性 & 较低的作用力
标准的粉未状 => 具有较小的阻力 & 较高的污染
沉淀白炭黑结构模型与真实电镜照片
电镜照片
模型
沉淀白炭黑的比表面积
白炭黑用量在 (30~60 Phr) 对物理性能的影响
100 Hd Shore A+ Tear (Kn.m) 90 80 70 60 50 40 30.0 40.0 50.0 Silica PHR 60.0
Tear & Hd vs. PHR 1.200
Akron loss & SG vs. PHR
Tear
SiO2 (不定型) , 表面含水合基团
白炭黑的聚集体粒径与炭 黑的对比
品名 Silica A Silica B Silica C Silica D N 774 N 550 N 220 N 110 BET比表面积CTAB 比表面积 / m² /g / m² /g 50 125 170 170 29 42 119 138 50 120 165 160 29 42 111 127 粒径 / nm 38 16.5 14 14 79 56 21 18 DBP-值 g/100g 170 205 180 240 72 121 114 113 湿度 % 5.5 5.5 5.5 6.0 <1 <1 <1 <1 商标名 Ultrasil 360 Ultrasil VN2 GR Ultrasil VN3 GR Ultrasil 7000 GR
炭黑补强-结合橡胶
QUST College of Polymer Science and Engineering
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
QUST College of Polymer Science and Engineering
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。
QUST College of Polymer Science and Engineering
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。
QUST College of Polymer Science and Engineering
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。
QUST College of Polymer Science and Engineering
炭黑表面活性的影响
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3
A相（未交联或 交联少的橡胶 区，交联点间 的分子链长度 80~100nm)， 橡胶中分子或 链段未被炭黑 吸附，能进行 分子热运动， 接近生胶的状 态，主要提供 橡胶的高弹性 能。
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
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4
B相（橡胶的交 联区），因交联， 分子运动受束缚， 但比C相活动能 力强。能提高橡 胶的高弹性和强 度。作用大小取 决于B相在硫化 胶中的分布状态， B相的直径大小、 两相邻B相之间 的距离以及交联 键的类型、密度 和分布的均匀性。
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10
大分子滑动学说的基本概念示意图
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11
(1)表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附 在炭黑粒子表面上。
(2)当伸长时，这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表 面滑动，原始状态吸附的长度用点标出，可看出滑 移的长度。这时应力由多数伸直的链承担，起应力 均匀作用，缓解应力集中为补强的第一个重要因素。
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措施
提高填料粒子 的分散度（降 低炭黑等填料 的粒径）和采 用表面活性剂 以提高填料粒 子对橡胶的浸 润性，有助于 补强效果。
7
化学结合
在混炼时橡胶分子断裂成自由基，与 炭黑表面的活性中心发生结合作用，或炭 黑表面含氧基团和自由基在硫化时与橡胶 分子发生交联作用形成化学结合。
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8
综上，炭黑补强作用主要是，炭黑的加入改变了橡 胶的结构，产生了C相结构。在硫化胶中，若炭黑得到 较好的分散，并且每个炭黑粒子表面都形成C相结构， C相起着骨架作用联结A相和B相。构成一个橡胶大分子 与填料整体网络，改变了硫化胶的结构，因而提高了硫 化胶的物理机械性能。
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9
橡胶大分子链滑动学说
该理论的核心是橡胶大分子能在炭黑表面上 滑动，由此解释了补强现象。炭黑粒子表面的活 性不均一，有少数强的活性点以及一系列的能量 不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以 有各种不同的结合能量，由多数弱的范德华力的 吸附以至少量强的化学吸附。吸附的橡胶链段在 应力作用下会滑动伸长。
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2
表面吸附层理论
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。
核磁共振研究证实，在炭黑表面有一层由两种运动 状态橡胶大分子构成的吸附层。在紧邻着炭黑表面的大 约0.5nm（相当于大分子直径）的内层，呈玻璃态；离 开炭黑表面大0.5~5.0nm范围内的橡胶有点运动性，呈 亚玻璃态，这层叫外层。这两层构成了炭黑表面上的双 壳层。双壳层的厚度Δγe基本上是上述范围 ，这个双壳 的界面层内中的结合能必定从里向外连续下降，即炭黑 表面对大分子运动性的束缚不断下降，最后到橡胶分子 不受束缚的自由状态。
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
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5
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
(3)当伸长再增大，链再滑动，使橡胶链高度取向，
承担大的应力，有高的模量，为补强的第二个重要因
素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损耗。损耗会消去
一部分外力功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强
的第三个因素。
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12
(4)是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应 力软化效应，胶料回缩后炭黑粒子间橡胶链 的长度差不多一样，再伸长就不需要再滑动 一次，所需应力下降。
炭黑补强机理
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1
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
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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。
(5)在适宜的情况(加膨胀)下，经过长时间，由 于橡胶链的热运动，吸附与解吸附的动态平衡， 粒子间分子链长度的重新分布，胶料又恢复至 接近于原始状态。但是如果初次伸长的变形量 大、恢复常不超过50％。. Nhomakorabea13