沉淀法白炭黑是橡膠體系重要的補強填料, 其化學指標與膠料的物理性能有著極為密切的關系, 尤其是近年來, 備受矚目的綠色輪胎的研制與開發, 特別對其混合體系中采用的白炭黑填料提出了新的要求。 BET, CTAB和 Ssears比表面積,DBP吸油值, 表面羥基的含量, 平均粒徑及粒徑分布等化學指標從不同側面表征了白炭黑的聚集形態和表面結構。通過對沉淀法白炭黑化學指標的分析, 即可很好地預測出它在膠料體系中的分散狀態與補強效果。

白炭黑化學指標對膠料基本性能的影響

  比表面積

    白炭黑比表面積通常指氮吸附比表面積值, 它反映了白炭黑附聚體內外表面積的總和,是衡量膠料加工性能與物理性能的重要指標。

     白炭黑結構單元是—O—Si—O—共價鍵無規則連接的三維網絡。 在原始粒子聚結成二次粒子的過程中,硅與氧的不完全鍵合,致使白炭黑微粒表面殘存著一定數量的羥基。  白炭黑的比表面積越大, 表面剩余羥基越多, 羥基顯現的表面活性就越顯著。積意味著較多的表面羥基, 它們以氫鍵的形式聚集, 使得白炭黑顆粒之間的相互作用增強, 而羥基與橡膠分子的不相容性,則減弱了白炭黑與橡膠體系的充分接觸。 因此,混煉膠的表觀粘度提高。 同時,表面羥基的相互作用會導致游離硅醇基團增多, 對助劑產生強烈的吸附作用, 硫化速率大幅下降。

    白炭黑比表面積對膠料靜態物理性能的影響主要體現在邵爾硬度、定伸應力、拉伸強度、扯斷伸長率和壓縮永久變形上。  因為, 白炭黑與膠料形成的混合體系中,兩種網絡結構共同決定著對硫化膠的補強效果:一是白炭黑填料-填料間的相互作用; 另一個是白炭黑填料-聚合物分子間的相互作用。 當整個體系處于低應變場合時, 白炭黑填料間的相互作用 占主導地位; 當處于高應變場合時, 聚合物分子與填料的相互作用成為主要因素。 隨著白炭黑比表面積增大, 聚合物與填料的相互作用增強,使得邵爾硬度、定伸應力和拉伸強度與比表面積呈正相關變化。但在高應變場合下,白炭黑填料間的網絡被破壞,這種破壞不容易恢復,膠料的物理性能上則表現出來扯斷伸長率大,永久變形大。

    沉淀法白炭黑比表面積對膠料動態物理性能的影響是隨著綠色輪胎的發展而被逐步認知的。 大量的研究結果表明:高比表面積的白炭黑具有較高的表面自由能,在混合體系中重組自聚的傾向增大,難于分散,生熱大。 表現在膠料的物理性能上即60℃tanδ高, 0℃tanδ低, 60℃復數模量 E★低。這 3 個指標是衡量輪胎胎面膠動態綜合性能的關鍵性指標。60 ℃tanδ值被公認為是輪胎滾動阻力的量度, 它與生熱值呈正相關變化。 BLUME A等給出了不同比表面積下60℃tanδ與生熱的關系(圖2)[1]。而 0℃tanδ和60℃復數模量 E★分別與濕路面牽引力和耐磨性能相關。 在綠色輪胎的發展過程中, 作為補強填料的沉淀法白炭黑經歷了兩個階段的演變,即比表面積從傳統的190～210 m2/g難分散產品降至比表面積為160～180 m2/g的易分散( EDS)。