本篇文章炭黑產業網小編將要給大家介紹的是炭黑的補強，炭黑作為補強劑可以有很多用處，而本篇文章我們先從補強劑與填充劑的基本概念以及填料的基本分類來了解這一方面的知識。
補強劑：指能提高橡膠制品物理機械性能的填料;填充劑：指能增加橡膠制品的容積，降低含膠率，降低成本的填料。
填料的分類可以從作用、顏色、來源和形狀進行劃分，按作用分：補強劑、填充劑;按顏色分：黑色填料、非黑色填料;按來源分：有機填料、無機填料;按形狀分：粒狀填料、樹脂填料、纖維填料。了解完補強劑與填充劑的基本概念后，小編先為大家整理了炭黑的品種和分類。
一、 炭黑的品種和分類
炭黑品種有40多種。按作用分：硬質炭黑(粒徑40nm以下，補強性高);軟質炭黑(粒徑40nm以上，補強性低)。按制法分：槽法炭黑、爐法炭黑、熱裂法炭黑、新工藝炭黑。
1、接觸法炭黑(槽黑，呈酸性，補強性大，屬硬質炭黑)，以冷卻的金屬成非金屬為接觸面，從原料氣的火焰中將煙氣冷卻收集而成。主要品種：天然氣槽黑(以天然氣為原料)PH較低。易混槽黑EPC，ASTM標號為S300，可混槽黑MPC，ASTM標號為S301;混氣炭黑;輥筒炭黑;導電槽法炭黑CC，粒子粗，電阻很小?；拘再|：粒子較細(粒徑范圍30nm左右，)對NR的補強作用大，強伸性能、抗撕裂性能和抗割性能好;含氧量高(帶有較多的含氧基團)呈酸性，遲延硫化作用，因酸性助劑對促進劑有吸附作用;主要用于NR中，制胎胎面膠，合成膠中少用。
2、油基爐法炭黑(堿性，具高補強性，硬質炭黑)，也稱油爐黑或爐黑，是以原料油為原料。在特制的爐中進行燃燒，然后將煙氣經噴水冷卻而得，(因吸收了水中的鹽類，呈堿性)，主要品種：超耐磨炭黑 SAF(supper abrasion furnace black)，ASTM標號為N110，粒子細，補強效果好，但不易分散，工藝性能差。中超耐磨爐黑 ISAF(Intermediate super abrasion furnace black)，ASTM標號為N220，高結構中超耐磨爐黑 HS-ISAF，ASTM標號為N242，低結構中超耐磨爐黑 LS-ISAF，ASTM標號為N219，高耐磨爐黑 HAF(High abrasion furnace black)，ASTM標號為N330，高結構高耐磨爐黑 HS-HAF，ASTM標號為N347，低結構高耐磨爐黑 LS-HAF，ASTM標號為N326?；拘再|：粒子細，為高補強性的硬度炭黑，對合成橡膠很適用(對NR也適用)，含水量氧量少，呈堿性，起促進硫化的作用，廣泛用于要求耐磨性好的制品，如輪胎胎面膠。
3、氣基爐法炭黑(瓦斯爐法炭黑，補強性小，稱為軟質炭黑)，以天然氣及一定比例空氣在爐內進行不完全燃燒而得。快壓出爐黑 FEF(Fast Extruding Furnace black)，ASTM標號為N550，粒子較前面粗，有別于混煉壓出工藝，用于內胎膠。細粒子爐黑 FF(Fine Furnace black)，ASTM標號為N440，結構性較低，能提高膠料的彈性和耐屈撓性。通用爐黑 GPF(General purpose furnace black)，ASTM標號為N660，粒子較大，兼有加工性能好，高定伸，高彈性、生熱小等特點。高定伸爐黑 HMF(High modulus furnace black)，ASTM標號為N601，提高膠料的定伸應力，補強性高于SRF，但低于GPF。半補強爐黑 SRF(Semi-reinforcing furnace black)，ASTM標號為N754(低結構)、N765(高結構)，粒子較大，加工生熱小，賦予硫化膠料彈性高、伸長率大，耐屈撓性以及粘著性能好。用于內胎、膠管時，填充量可大些。
4、熱裂法和其它類型炭黑(軟質炭黑，基本無補強作用)細粒子熱裂法爐黑 FT(Fine thermal black)，ASTM標號為N880，適用于NR及合成膠中，常用于內胎。中粒子熱裂法爐黑 MT(Medium thermal black)，ASTM標號為N990，適用于NR及合成膠中，多用于模壓制品，特別適用于耐油制品。以上兩種粒徑較大，幾乎無補強作用，多作為廉價的填料使用，適用于壓出制品及機械強度要求不高的制品。導電爐黑 CF(Conductive furnace black)，ASTM標號為N293。乙炔炭黑 ACET(Acetylene black)，粒徑中等，為所有炭黑中結構性最高。新工藝炭黑以爐法生產為基礎，經改善工藝性能而制得。多用爐黑MPF(Multi-purpose furnace black)全用爐黑APF(All-purpose furnace black)超易操作爐黑SPF(Super processing furnace black)。特點為粒徑小，粒徑分布窄，表面光滑，加工工藝性能好，補強輪胎側內胎及其他工業制品。
二、在配制合成膠胎面時應選用何種炭黑
1、胎面膠要求：機械強度高、耐磨性好，彈性好，有一定的耐熱、耐老化性，合成膠自補強性差，應選用補強性大的炭黑(硬質炭黑)，爐黑中SAF粒子太細，不易分散，加工性能不好，而ISAF、HAF料合適，槽黑對合成膠補強性不大。
2、若是NR胎面，由于槽里MPC、EPC補強性大，幫可選EPC、MPC、ISAF、HAF、SAF。
3、若NR/合成膠并用，且以NR為主，則利用槽爐黑并用
4、若合成膠/NR并用，且以合成膠為主，則選用爐黑。
三、 炭黑的基本性質
炭黑對橡膠有優異的補強效果，這與炭黑的結構及性質有密切關系。
1 、炭黑的基本結構
由C、H化合物(油或天然氣)經過高溫裂解而成碳氫化合物。
各種炭黑之間的區別在于：微晶體堆砌過程中的規整性，即粒子中微晶體排列的規整性因各種炭黑而異。
規整性：熱裂法炭黑>氣基爐法炭黑>槽黑>爐黑
2 、 炭黑的化學組成
分析結果表明，炭黑的組成除大部分為C元素外，還包含有少量的H、S、O等元素以及其它雜質和水分等，其含量因各種炭黑品種而異。
3 、炭黑的基本性質
炭黑粒子的表面性質和表面化學活性。(影響補強性能的第一因素，強度因素)，表面性質：粒子表面上含氧基團微晶體的不飽和性?；瘜W活性：指炭黑粒子與橡膠結合的能力。實驗證明，化學活性大的炭黑與橡膠結合能力大，補強作用大?；瘜W活性來源于其粒子中微晶結構的不飽和性;粒子表面上的含氧基團。它們直接影響到炭黑的化學性質;同時影響炭黑的PH值及膠料的硫化速度。
炭黑粒子的大小，(影響補強性能的第二因素，廣度因素)，一般來說，炭黑比表面 >50m/g 則補強作用越大。炭黑的結構性(影響補強性能的第三因素，形狀因素)
炭黑的一次結構(基本聚集體，聚熔體，永久結構)，炭黑在制造過程中，粒子間互相融結而形成的鏈枝狀或葡萄狀的聚集體叫一次結構。它由化學鍵結合，煉膠過程中不受破壞，是炭黑在膠料中最小可分散的單位。
炭黑的二次結構(次級聚集體)，指兩個或兩個以上，通過范德華力(物理吸附)而形成的疏松締合物。結合較弱，有些在造粒時被破壞，大多在煉膠時被破壞。結構性指炭黑粒子連接成長鏈并融結在一起而成的三度空間的聚集傾向。粒子粘連越多，結構性越高。結構性的表示方法，形狀因素(早期使用，由電鏡觀察到)，形態因素(近年來使用)
吸油值——指每克炭黑吸油的毫升數。常用DBP(鄰苯二甲酸二丁酯)來測量，稱為DBP吸油值，DBP值越大，說明炭黑吸油性越大，結構性越高。
總之，活性大，粒子小，結構性高的炭黑，補強性能大，硫化膠的拉伸強度，定伸應力，硬度，撕裂強度，耐磨性，定負荷下的耐疲勞性好;伸長率，回彈性小，定變形下疲勞生熱性大。
四、炭黑的用量
一般為40～50份，過少起不到很好的補強作用，且不利于降低成本;過多則出現硬化效應，但對熱裂法炭黑則不限。
炭黑用量對補強性的影響表現在：硬度，定伸應力和生熱性等，隨炭黑增量出現單調增大;回彈性，伸長率等出現單調下降;抗張強度(40—50份)，撕裂強度及耐磨耗性(50—60份)等隨炭黑增量出現最大值。對于自補強性橡膠，用量略低些，而非補強性橡膠則用量略高些。
五、炭黑對橡膠的補強作用機理
首先介紹應力軟化：橡膠拉伸，所用拉力逐漸降低的現象。
1、容積效應
炭黑在應力作用下不會變形，所以在炭黑膠料中，橡膠大分子受到的變形比外觀的變形大。這叫做容積放大效應。Mullins和Tobin認為炭黑膠料的應力軟化與純硫化膠一樣，所不同的是炭黑膠料中由于容積效應而有較大的應力軟化和損耗。
2、弱鍵和強鍵學說
50年代提出這個學說。應力軟化是物理吸附的弱鍵在外力的作用下橡膠鏈脫離炭黑表面的結果。斷裂時剩下的僅為強鍵，對于炭黑的補強作用，諸如拉伸強度、抗撕裂和耐磨耗等有關橡膠抵抗最后破裂作用的能力來說，少數化學吸附的強健數目最為重要。因此對要求補強件高的就應該有較多的強鍵數日、即要使用高活性的比表面積大的炭黑。
3、Bueche的炭黑粒子與橡膠鏈的有限伸長學說
這個學說只考慮炭黑粒子與橡膠鏈所成的強鍵，橡膠鏈在應力作用下伸長到接近它們在粒子間的最大長度時，得到高模量。當超過這個長度就會脫離炭黑表面或斷裂。當拉伸超過最短鏈的長度時，它先行斷裂，之后按長短依次斷裂;第二次伸及時，缺乏這些鏈的支持，應力下降、即應力軟化。應力恢復是在松馳狀態下炭黑粒子間的橡膠鏈重新分布，脫離的鏈又被新鏈所替代。無炭黑存在時，橡膠鏈斷裂后，它的應力由相鄰的鏈負擔，易于相繼斷裂;有炭黑存在時，粒子間有多條橡膠鏈，一條鏈斷了，應力由其他鏈分擔，炭黑達著均勻應力的作用，減慢整體的破裂。當伸長大時，炭黑也會移動，這種移動也起著緩和應力的作用。均勻和緩和應力就是補強的原因。
4、殼層模型理論
核磁共振研究己證實，在炭黑表面有一層由兩種運動狀態橡膠大分子構成的吸附層。在緊鄰著炭黑表面的大約0.5nm(相當于大分子直徑)的內層，呈玻璃態;離開炭黑表面大約0.5—5nm范圍內的橡膠有運動性，呈亞玻璃態，這層叫外層。這兩層構成炭黑表面上的雙殼層。這個雙殼的界面層中的結合能必定從里向外連續下降，即炭黑表面對大分子運動性的束縛不斷下降。最后到橡膠分子不受束縛的自由狀態。
對殼層補強作用的解釋是雙殼層起骨架作用，構成一個橡膠大分子與填料整體網絡，改變了硫化膠的結構，因而提供了硫化膠的物理機械性能。
5、橡膠大分子鏈滑動學說
這是比較新、比較全而的炭黑補強理論。該理論的核心是橡膠大分子能在炭黑表面上滑動，由此解釋了補強現象。炭黑粒子表面的活性不均一，有少數強的活性點以及一系列的能量不同的吸附點。吸附在炭黑表面的橡波鏈可以有各種不同的結合能量，由多數弱的范德華力的吸附以至少量強的化學吸附。吸附的橡膠鏈段在應力作用下會滑動伸長。
大分子滑動學說的基本概念用示意圖表示。
表示膠料原始狀態，長短不等的橡膠分子鏈被吸附在炭黑粒子表面上。當伸長時，這條最短的鏈不是斷裂而是沿炭黑表面滑動，原始狀態吸附的長度用點標出，可看出滑移的長度。這時應力由多數伸直的鏈承擔，起應力均勻作用，緩解應力集少為補強的第一個重要因素。當伸長再增大，鏈再滑動，使橡膠鏈高度取向，承擔大的應力，有高的模量，為補強的第二個重要因素。由于滑動的摩擦使膠料有滯后損耗。損耗會消去一部分外力功，化為熱量，使橡膠不受破壞，為補強的第三個因素。收縮后膠料的狀況，表明再伸長時的應力軟化效應，膠科回縮后炭黑粒子間橡膠鏈的長度差不多一樣，再伸長就不需要再滑動一次，所需應力下降。在適宜的情況(加膨脹)下，經過長時間，由于橡膠鏈的熱運動，吸附與解吸附的動態平衡，粒子間分子鏈長度的重新分布，膠料又恢復至接近于原始狀態。但是如果初次伸長的變形量大，恢復常不超過50%。
以上就是炭黑產業網小編為大家整理的全部內容了，你是否對炭黑的補強的了解又多了一些呢?如有問題可以隨時在評論區討論。
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