【炭黑產業網】7月22日消息，在橡膠工業領域，沉淀法白炭黑作為關鍵的補強填料，其各項性能指標對橡膠耐磨性有著直接或間接的重要影響。這些指標通過作用于與橡膠基質的界面、橡膠的分散性以及力學性能等多個方面，進而左右橡膠的耐磨表現。以下將深入剖析各關鍵指標對橡膠耐磨性的影響機制。
比表面積(BET)：補強與分散的微妙平衡
比表面積堪稱白炭黑的核心指標之一，它直觀地反映了白炭黑與橡膠的接觸面積大小以及補強能力的強弱，對橡膠耐磨性的影響不容小覷。在一定范圍內，當比表面積增大，例如從100㎡/g提升至200㎡/g時，白炭黑與橡膠基質的界面接觸面積顯著增加。此時，憑借“錨定效應”，界面結合力得到增強，橡膠的抗變形能力和補強效果也隨之提升。具體表現為橡膠的硬度、拉伸強度、撕裂強度均有所提高，在磨損過程中，橡膠不易因局部應力過大而出現材料脫落，耐磨性得到顯著增強。然而，若比表面積過大，超過250㎡/g時，白炭黑粒子間的范德華力和氫鍵作用會增強，導致粒子容易團聚，尤其是在未經過表面處理的情況下。團聚體的形成會使白炭黑在橡膠中的分散性急劇下降，在橡膠中形成“應力集中點”。在磨損過程中，這些“應力集中點”會優先從周圍發生斷裂，進而使橡膠的耐磨性下降。因此，存在一個最佳比表面積范圍，通常在150 - 220㎡/g之間(具體數值因橡膠種類而異)，在這個范圍內，白炭黑的分散性和補強效果能夠達到平衡，從而使橡膠的耐磨性達到最優。
粒徑與粒徑分布：小而均勻更利于耐磨
白炭黑的原始粒徑(或聚集體粒徑)以及粒徑分布情況，會通過影響其在橡膠中的分散均勻性和界面作用，間接對橡膠的耐磨性產生影響。從粒徑大小來看，粒徑越小，通常與比表面積呈正相關關系，補強效果也就越強，原理與比表面積的影響類似。但當粒徑過小，例如原始粒徑小于10nm時，粒子間的團聚能會顯著提高，分散難度大幅增加。這會導致橡膠中出現局部缺陷，從而降低橡膠的耐磨性。在粒徑分布方面，粒徑分布窄的白炭黑在橡膠中能夠更均勻地分散，可以避免因大顆粒(或團聚體)形成的“薄弱點”。如果粒徑分布過寬，例如同時存在10nm和100nm以上的粒子，大顆粒就會成為磨損的起點，在磨損過程中優先被磨除，進而導致橡膠的耐磨性下降。所以，小粒徑(與最佳比表面積相匹配)且分布窄的白炭黑，更有利于提升橡膠的耐磨性。
結構度(DBP吸油量)：構建致密網絡提升耐磨
結構度反映了白炭黑聚集體的枝狀復雜程度，通常通過DBP吸油量來表征，DBP吸油量值越高，結構度就越高，這一指標會影響橡膠的網絡結構和抗變形能力。結構度高的白炭黑，其聚集體呈三維枝狀結構，在橡膠中能夠形成更致密的“骨架網絡”。這種網絡結構可以增強橡膠的彈性和抗壓縮變形能力。在磨損過程中，它能夠緩沖外力沖擊，減少材料因反復形變而產生的疲勞磨損，從而提升橡膠的耐磨性。不過，如果結構度過高，當DBP吸油量大于300mL/100g時，白炭黑聚集體間容易纏結，導致橡膠在混煉時門尼粘度急劇上升，加工流動性變差，分散不均勻。局部結構過密的區域會因應力集中而加速磨損，反而降低橡膠的耐磨性。據炭黑產業網了解，中等結構度(DBP吸油量在200 - 250mL/100g)更適合平衡加工性和耐磨性。
表面羥基含量(Si - OH)：相容性與界面結合的關鍵
白炭黑表面的硅羥基(Si - OH)是影響其與橡膠相容性的關鍵因素，會通過界面結合力間接影響橡膠的耐磨性。在未經過處理時，如果羥基含量過高，例如大于5個/nm2，粒子間容易通過氫鍵形成硬團聚，導致分散性變差。同時，羥基與橡膠分子(橡膠多為非極性)的相容性較差，界面結合力弱，在磨損時白炭黑容易從橡膠中脫落，從而使橡膠的耐磨性下降。而經過硅烷偶聯劑(如Si69)處理后，偶聯劑會與羥基發生反應，減少粒子間的團聚，同時引入與橡膠相容的基團(如硫醇基)，增強界面結合力。此時，白炭黑與橡膠形成“化學錨定”，應力傳遞均勻，在磨損時不易發生界面剝離，橡膠的耐磨性得到顯著提升。因此，羥基含量需要適中，保持在3 - 5個/nm2，并且需要配合硅烷偶聯劑處理，才能最大化界面結合，提升橡膠的耐磨性。
pH值：影響硫化體系與耐磨性
白炭黑的pH值(通常在6.0 - 8.0之間)主要通過影響橡膠的硫化體系，間接對橡膠的耐磨性產生影響。如果酸性過強，pH值小于6.0，會抑制硫化促進劑的活性，延緩硫化速度，甚至導致硫化不完全，使橡膠的交聯密度不足。低交聯密度的橡膠力學性能(如拉伸強度、硬度)會下降，在磨損時容易發生塑性變形和材料流失，耐磨性變差。相反，如果堿性過強，pH值大于8.0，可能會加速硫化(尤其對噻唑類促進劑)，導致硫化前期過快，交聯不均勻，出現局部過交聯或欠交聯的情況。過交聯區域容易脆化，欠交聯區域強度低，這些都會降低橡膠的耐磨性。所以，中性至弱酸性(pH值在5.0 - 7.0)更有利于硫化均勻性，保障橡膠的力學性能，從而提升橡膠的耐磨性。
雜質含量：嚴格控制以保障耐磨
白炭黑中的雜質(如Fe3?、Ca2?、Mg2?等金屬離子，或未反應的鹽類)會通過破壞橡膠結構或影響硫化過程，降低橡膠的耐磨性。金屬離子方面，Fe3?等過渡金屬離子是橡膠氧化老化的催化劑，會加速橡膠分子鏈的斷裂，導致材料的力學性能隨時間衰減，耐磨性下降。Ca2?、Mg2?可能與橡膠中的硫化劑反應，干擾硫化過程，降低橡膠的交聯密度。可溶性鹽方面，雜質鹽類(如Na?SO?)含量過高會提高白炭黑的吸濕性，導致橡膠在加工時產生氣泡，形成內部缺陷。在磨損過程中，這些缺陷處會優先被破壞，從而降低橡膠的耐磨性。因此，雜質含量需要嚴格控制，例如Fe3?含量應小于1000ppm，以減少對橡膠性能的負面影響。
總體而言，沉淀法白炭黑對橡膠耐磨性的影響是多指標協同作用的結果。比表面積和粒徑決定了白炭黑的基礎補強能力，結構度影響橡膠網絡的穩定性，表面羥基和pH值調控界面結合與硫化均勻性，雜質則通過破壞橡膠結構降低性能。在實際應用中，需要根據橡膠的種類(如輪胎胎面膠、密封膠等)優化各指標的組合。例如，輪胎胎面膠通常選擇高比表面積、中結構度、低雜質的白炭黑，并配合硅烷偶聯劑，以實現耐磨性的最大化。
