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?

一、什么是橡膠炭黑

我們首先要了解橡膠炭黑是什么，橡膠炭黑其實(shí)就是橡膠用炭黑，這并不是一個(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)用有哪些

綜合查閱資料發(fā)現(xiàn)，橡膠工業(yè)使用的炭黑約占整個(gè)炭黑產(chǎn)量的90%。主要用于汽車輪胎、拖拉機(jī)輪胎、飛機(jī)輪胎、力輪胎、自行車輪胎等各種類型的輪胎。每個(gè)普通的汽車輪胎都需要大約10公斤的炭黑。橡膠炭黑中約有四分之三用于輪胎制造，其余用于其他橡膠制品，如膠帶、橡膠軟管、橡膠鞋等。在橡膠制品行業(yè)，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。

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小、生熱低的炭黑。

輪胎各部位：

三、橡膠用炭黑不同的類型劃分

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。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。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。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。(這些都是由標(biāo)準(zhǔn)的)

不同型號(hào)的炭黑應(yīng)用：

N330是應(yīng)用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。

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)到我們的效果呢?

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)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)。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)晶性橡膠來(lái)說(shuō)，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)活性與橡膠的性能有關(guān)。炭黑的化學(xué)活性在增強(qiáng)性能中起著重要的作用。實(shí)驗(yàn)證明，化學(xué)活性大的炭黑具有較大的增強(qiáng)作用;化學(xué)活性低的炭黑(如石墨化炭黑)的增強(qiáng)作用很小。這是因?yàn)榛瘜W(xué)活性大的炭黑表面活性點(diǎn)多，煉膠和硫化過(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。炭黑和橡膠形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)賦予硫化膠強(qiáng)度。因此，炭黑的化學(xué)活性是增強(qiáng)性能基本的因素，被稱為影響炭黑增強(qiáng)性能的因素(或強(qiáng)度因素)。

炭黑的化學(xué)活性越大，混合過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)合橡膠越多，提高了橡膠材料的門(mén)尼粘度，增加了口腔膨脹率和半成品收縮率，減緩了壓縮速度。硫化膠的拉伸強(qiáng)度.撕裂強(qiáng)度.耐磨性越高。

經(jīng)研究，在炭黑表面的活性點(diǎn)中，含氧官能團(tuán)對(duì)不飽和橡膠的增強(qiáng)作用很小，這也是現(xiàn)代爐炭黑發(fā)展較少使用槽炭黑的原因之一。但含氧官能團(tuán)對(duì)高飽和度橡膠(如丁基橡膠)的增強(qiáng)作用較大。

2.由于炭黑的活性點(diǎn)存在于炭黑表面，炭黑粒子越小，比表面積越大，相同質(zhì)量炭黑的活性點(diǎn)越多，可以更好地發(fā)揮炭黑對(duì)橡膠的化學(xué)結(jié)合和物理吸附作用，提高增強(qiáng)效果。因此，炭黑的粒徑是影響炭黑增強(qiáng)性能的第二個(gè)因素，即廣度因素。

炭黑粒徑越小，硫化膠的拉伸強(qiáng)度越小.撕裂強(qiáng)度.定伸應(yīng)力.耐磨性.硬度越高，抗彎裂性越好，回彈性和斷裂伸長(zhǎng)率降低。但如果粒徑過(guò)小，由于粒子間凝聚力大，容易結(jié)塊，混合時(shí)難以分散，可塑性降低，壓縮性能降低。

3.炭黑的結(jié)構(gòu)性能與橡膠性能的關(guān)系炭黑的結(jié)構(gòu)性能是影響炭黑增強(qiáng)性能的第三個(gè)因素，即形狀因素。這是因?yàn)楦呓Y(jié)構(gòu)炭黑，其聚熔體形狀復(fù)雜，樹(shù)枝多，內(nèi)部間隙大，與橡膠混合時(shí)，形成更多的吸收橡膠(或包容性橡膠)。由于炭黑聚熔體阻礙了被吸收橡膠分子鏈的變形，因此硫化膠的固定伸長(zhǎng)應(yīng)力.硬度等性能的提高起著重要的作用，從而體現(xiàn)了增強(qiáng)功能。同時(shí)，吸留橡膠的形成對(duì)提高碳黑在混合過(guò)程中的分散性和壓出操作性能也起著重要的作用。即使壓出口膨脹率和半成品收縮率降低，半成品也具有很大的挺拔性和光滑的表面。

炭黑的結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶和非結(jié)晶橡膠的增強(qiáng)性能有不同的影響。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)晶橡膠的增強(qiáng)作用較大，一般具有較高的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，這是由于炭黑結(jié)構(gòu)提高了非結(jié)晶橡膠的結(jié)晶傾向。結(jié)構(gòu)較低的炭黑更有利于提高結(jié)晶橡膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，主要是由于結(jié)構(gòu)較低時(shí)吸留的橡膠較少，有利于橡膠的延伸結(jié)晶。

此外，炭黑的結(jié)構(gòu)性能也是影響橡膠導(dǎo)電性能的重要因素。結(jié)構(gòu)越高，導(dǎo)電性越好。這可以簡(jiǎn)單地解釋為炭黑聚熔體的鏈枝結(jié)構(gòu)容易在橡膠中形成交織的導(dǎo)電通路，從而提高了導(dǎo)電性能。

4.炭黑的表面粗糙度與橡膠性能有關(guān)。炭黑的表面粗糙度會(huì)對(duì)炭黑的增強(qiáng)性能產(chǎn)生不利影響，降低橡膠材料的工藝性能。當(dāng)炭黑粒徑相同時(shí)，增加表面粗糙度會(huì)降低增強(qiáng)性能，因?yàn)橄鹉z分子鏈不能只進(jìn)入零點(diǎn)nm在炭黑表面孔隙中，減少了炭黑與橡膠相互作用的有效表面積，減少了增強(qiáng)作用。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.抗屈撓龜裂性能下降，但回彈性下降.提高了拉伸伸長(zhǎng)率和抗撕裂性。