炭黑补强
气相法白炭黑补强作用研究
气相法白炭黑补强作用研究气相法白炭黑的重要应用领域－－复合绝缘子（广州吉必盛宣传部）气相法白炭黑是一种重要的无机功能材料，有着广泛的应用，在硅橡胶和特种橡胶中主要用作补强剂，其补强效果甚至超过碳黑。
在硅橡胶中加入气相白炭黑后，可使胶料拉伸强度提高20倍左右，撕裂强度提高40倍，且透明度高。
气相白炭黑用于丁睛橡胶、羟基丁腈橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶中，制造出的油田用橡胶件的性能，与采用沉淀白炭黑或炭黑的胶料比，具有更高的硬度、拉伸强度，以及较好的耐磨性和较低的水膨胀性。
气相白炭黑对橡胶的补强性能主要取决于白炭黑粒子的大小、结构和表面化学性质。
通常情况下，粒子的大小以平均粒径或比表面积表示，其测定方法有电子显微镜法或BET吸附法。
在TEM 电镜下对气相白炭黑进行观察，白炭黑粒子呈球形颗粒，它们并不是以单个的粒子存在，很多个白炭黑粒子聚集成在一起，这些聚集体又附聚在一起形成带空隙的结构，在基料中经分散静止后形成三维网状结构，这种三维网状结构是一种动态的、暂时的结构，在外力的作用下会发生变形，空隙的形状和大小也会随之发生变化，很有“揉性”。
在TEM电镜下还可以观察到白炭黑粒子的表面布满了很多微孔，这种微孔从粒子的表面延伸到里面，不过微孔很小，橡胶分子很难进入。
对气相白炭黑进行红外测试，可以发现粒子的表面有大量的硅烷醇基团（SiOH），有两种羟基存在，一是孤立的自由羟基，以一定的间距“联”在颗粒的表面；二是连生的、形成氢键的缔合羟基，在颗粒的内部则是以Si-O-Si结合。
由于表面的氢键作用，使之形成的附聚体既发达又牢固。
气相白炭黑在基料中形成的这种三维网状结构起到了骨架作用，从而对硅橡胶和特种橡胶具有很好的补强作用，补强作用的大小与这种网状结构的形状和牢固程度有直接的关系。
白炭黑粒径越小，比表面积越大，形成的附聚体的刚性越强，粒子与胶料的接触面大，结合点多，对橡胶的补强性能越好，硫化胶的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性也高，但弹性下降，因此混炼黏度增大，加工性能恶化。
《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
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。
天然气半补强炭黑指标
天然气半补强炭黑指标天然气半补强炭黑指标是衡量炭黑质量的重要参数之一。
炭黑作为一种重要的工业原料，在橡胶、塑料、油墨、涂料等多个行业中广泛应用。
而天然气半补强炭黑指标则是评价炭黑质量优劣的关键指标之一。
天然气半补强炭黑指标主要包括比表面积、碳黑结构、石墨化程度和芳烃含量等几个方面。
比表面积是炭黑的一个重要物理性能指标，它反映了炭黑的填充性能和增强效果。
通常情况下，比表面积越大，炭黑的填充性能越好，增强效果也越明显。
碳黑结构指的是炭黑中芳香核与链状结构的比例，它直接影响炭黑的性能表现。
石墨化程度则反映了炭黑中石墨结构的含量，它与炭黑的导电性和抗磨性等性能密切相关。
芳烃含量是指炭黑中含有的苯和其它多环芳烃的含量，它对炭黑的增强效果和抗老化性能有一定影响。
天然气半补强炭黑指标的优劣直接影响着炭黑在各个行业中的应用效果。
比如，在橡胶工业中，天然气半补强炭黑指标好的产品能够有效提高橡胶制品的强度和耐磨性；在塑料工业中，优质的天然气半补强炭黑能够提高塑料制品的硬度和强度；在油墨和涂料行业中，高质量的天然气半补强炭黑能够提高油墨和涂料的黑度和遮盖力。
为了获得优质的天然气半补强炭黑产品，制造商通常需要从以下几个方面进行控制。
首先，要选择合适的原材料。
天然气半补强炭黑的原材料主要来自于石油沥青和天然气碳氢化合物，制造商需要选择质量好、纯度高的原料。
其次，要采用适当的生产工艺。
制造商需要根据产品要求，合理控制炭黑的石墨化程度、比表面积等指标。
此外，还需要对生产过程进行严格的质量控制，确保产品符合标准要求。
最后，在产品的应用过程中，制造商需要与用户密切合作，根据具体使用情况进行调整和优化，以达到最佳的应用效果。
天然气半补强炭黑指标是衡量炭黑质量的重要参数，它直接影响着炭黑在各个行业中的应用效果。
制造商需要选择合适的原材料，采用适当的生产工艺，并进行严格的质量控制，以获得优质的天然气半补强炭黑产品。
只有如此，才能满足各行业对炭黑的需求，推动相关产业的发展。
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。
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。
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炭黑基本上是由“碳素”构成的，而白炭黑是由“二氧化硅和水”组成的。
白炭黑比重稍大，其平均粒径较小。
因此，自炭黑的比表面积大，其吸油值大在物理性能方面，白炭黑的着色俄耐撕裂性、粘性和耐曲挠疲劳性等占优，而炭黑的耐磨性、回弹性、耐候性和耐光性等更佳。
比较一下两者的表面官能团，在物理性能方面的差异就显而易见了。
炭黑表面存在极其少量的含氧官能团，有羧基和酚式羟基等酸性基、氧萘式结构筹碱性基、羧基和醌基等中性基。
不过，由于官能团数量太少，所以炭黑是疏水性的(图3)。
有代表性的炭黑N330(HAF)含氧0．7％、鱼0．4％和碳97．9％，其官能团种类似乎很多。
但其数量很少，所以各种官能团难以量化。
炭黑是按氮吸附比表面积和硫化速度来分类的，炭黑是用各种有机化合物不完全燃烧制得的，按生产方法分为炉黑、槽黑、热裂炭黑和灯烟黑等。
炉黑是在炉内不完全燃烧烃类来生产的。
槽黑通过天然气火焰接触槽钢来生产。
热裂炭黑是热解天然气所得。
灯烟黑是将烃放人敞口的浅底锅内燃烧后制成的。
另一方面，白炭黑表面的基本构造如图4a所示存在号Si—OH键或莹si—O—si釜键。
其衾面可认为能用水覆盖，是亲水性的。
善Si—OH键窿温度和／或分作—盯F与暑si-0一si鲁键之间存在平续反密。
关于炭黑补强性的原因，有许多说法。
不过，大多认为是起因予橡胶与炭黑混炼时形成了结合橡胶。
有种看法是，结合橡胶是由与炭黑表面相互作用生成的受束缚成分、包容在炭黑粒子熔合生成的聚集体的孔隙问的胶相(炭黑凝胶相)和混炼过程中橡胶分子链披切断后再连接形成的胶相(橡胶凝胶柑)组成的。
虽然要阐述形成的主要醵显得太复杂。
但是通过溶剂抽提混炼有炭黑的未硫化胶料，作为未被抽提而残余的胶料，可测定结合橡胶的数量。
下面’，通过具体的例子来推论结合橡胶与炭黑的结合情形和炭黑的分散状况。
作为带容易与炭黑反应的官能团的SBR，众所周知有锡改性SBR。
因此，合成了图5所示的各种SBR所合成的4种SBR是：未改性SBR、与之构造相同而终端带sn C键的SBR、未改性SBR和低分子量锡改性SBR的共混物以及支链用锡化合物改性的sBR。
分别在这几种sBR中填充炭黑进行锟炼后，用溶剂抽提未硫化胶料，测定结合橡胶将这些胶料硫化后，用粘弹性试验机测定50℃。
tanS值(50~C时损耗角正切值，是振动应力和振动变形相位差的正切值，等于损耗模量和弹性模量之比)。
tanS(50~C)是轮胎滚动阻力的指标。
其值越小表示滚动阻力越大。
其结果如图6所示。
以未改性SBR作为标准来看，结合橡胶增加后，分成tan~i(50~C)减小的一组和tanS(50~C)基本上保持不变的一组这表明，要降低轮胎的油耗，仅靠与炭黑结合形成网络是不够的。
其次，来看一下炭黑的分散状况。
若干个数十nnl的炭黑粒子熔聚在一起形成强度非常高的聚集体。
许多这种聚集体凝聚在一起形成肉眼看得见的附聚体。
SBR是绝缘体。
炭黑具有导电性。
在oo份SBR中填充5O份炭黑混炼后，如果炭黑分散良好，电阻值(1ogf])就增·大。
相反，如果分散不良的话，电阻值就减小。
因此，测量了图5中未硫化胶料的电阻值。
硫化胶的电阻值与tanS(50*C)的关系如图7所示。
得出了tan~i(50"C)随电阻值增大(即分散良好)而减小的良好相关性。
由这一结果可以认为，锡改性SBR不仅结合到炭黑上，而且对分散也有作用。
炭黑的分散过程是怎样产生的呢?这一问题也可像图8所示那样考虑。
如图8a所示，在大分子量改性SBR的场合，炭黑与SBR反应。
在混炼过程中与炭黑反应后的SBR与其它不能与炭黑的反应的SBR也结合，打碎炭黑附聚体，使炭黑分散。
但是，如图8b所示在小分子量改性SBR和未改性SBR的场合，虽然小分子量改性SBR与炭黑反应，但由于分子量太小，在炼过程中与其它的SBR的结合较小，不能将炭黑分散。
虽然SBR能与炭黑反应，但不能包容炭黑，不能产生打碎附聚体的作用。
由上述说明可知，要充分发挥炭黑的填充补强效应，与炭黑的反应性和炭黑的分散性是至关重要的。
虽然此处作为官能团是以锡化合物为例，但是作为具有同样效果的官能团，已经知道的有氨基苯酮系化合物异氰酸酯系化合物等。
4 白炭黑的补强机理对于SBR来说，炭黑是疏水性’是易混合填充剂；而白炭黑却是亲水性，是难混合填充剂。
将白炭黑的硅烷醇基用硅烷偶联剂处理．使其变成疏水性后能够克服这一缺点。
最近，为了提高轮胎在湿路面上的抗滑性和降低滚动阻力，常常使用白炭黑来取代炭黑。
这时使用的硅烷偶联剂是硫化物系的双(3一三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫化物(TESPT)，其作用过程如图9所示。
TESPT具有能与白炭黑反应的烷氧基甲硅烷基(兰Si—OR)和能与SBR反应的硫化物键(⋯S Ss—s一)两种官能团。
首先在硫化物键不反应的约140~C下混炼SBR、白炭黑和TESPT。
烷氧基甲硅烷基在这一温度下与白炭黑反应。
结果
TESPT与白炭黑表面结合。
此时硫化物键尚未反应。
其次，配合硫化剂和硫化促进剂进行硫化。
在约140~C 以上温度下TESPT的硫化物键反应后附着在SBR上，得到白炭黑填充的硫化SBR胶。
如像这样，TESPT 通过较低温度下与白炭黑的硅烷醇基反应和较高温度下与SBR交联，发挥了补强效应。