补强橡胶的白炭黑配合剂

凡能改善橡胶拉伸强度、定伸强度、耐磨性等物理力学性能的配合剂称补强剂。

1.补强剂的种类

1）炭黑

炭黑是电缆护套橡皮的主要补强剂，它能使护套橡皮具有足够的机械强度和抗撕性。在绝缘橡皮和耐热护套中，主要作为补强剂，而在半导电橡皮配方中则作为导电剂用，所以炭黑在不同用途的配方中，起着不同的作用，因而就要选择不同的种类。炭黑的种类很多，按对橡胶补强效果不同，可分为以下两种：

①活性炭黑，即高补强作用的炭黑。它使橡皮具有很高的拉伸强度、抗撕裂强度和高定伸强度等性能。活性炭黑通常又分高强力型（包括槽法炭黑、槽法混气炭黑等），通用型（包括滚筒法炭黑）和耐磨型（包括各种耐磨炭黑）三类。

②半补强性炭黑，是具有一定补强性能的炭黑。它能使制品具有高弹性，一定程度的定伸强度和拉伸强度，并且发热性小。

半补强炭黑分为高定伸强力型（喷雾法炭黑）和弹性型两类。

2）白炭黑，所谓白炭黑，顾名思议，它是白色补强剂，它的补强性能可以和炭黑媲美。适于制造电线电缆浅色制品。是硅橡胶、乙丙橡胶和氟橡胶的电缆橡皮中广泛使用的补强剂。白炭黑是由人工制造的微粒硅酸和硅酸盐物质。目前有三个品种，气相白炭黑，沉淀白炭黑和表面处理白炭黑。

2.炭黑补强机理

关于补强作用的机理，有机械增强（如物理吸附）和化学增强（如化学键反应）两种观点，现在认为两者共存。一般认为由于炭黑的粒径、结构性和表面化学性质，与橡胶分子发生化学和物理吸附，对橡胶起补强作用，从而改善了硫化胶的物理力学性能。

物理吸附即炭黑与橡胶之间吸引力大于橡胶分子之间的内聚力，橡胶分子被炭黑吸附在表面上，这种物理吸附的结合力（范德华力）是比较弱的。化学吸附是由于炭黑表面的活性点能与橡胶起化学作用，形成以化学键相结合的化学吸附。化学吸附的强度比单纯的物理吸附大得多，使橡胶分子能够较容易在炭黑表面上滑动又不易脱离炭黑表面，从而炭黑与橡胶之间形成一种滑动的强固键。这种炭黑与橡胶结合生成的滑动强固键产生两种补强效应。一是当橡胶受力变形时，强固键的滑动能吸收外力的冲击而起到缓冲作用；二是橡胶分子链段在应力下滑动伸长，使应力分布趋于均匀。这两种效应的结果使橡胶强度增加，抵抗破裂，又不会过多损害橡胶的弹性，起到补强的作用。图7-3所示为炭黑补强的基本原理。

图7-3 炭黑的补强机理(www.xing528.com)

图7-3中所示，假设两个炭黑粒子之间有三条橡胶分子链被吸附。图中①表示橡胶处于松弛状态，三条分子链有长有短。②受应力拉伸时，最短的分子链首先被拉直。如果强固键不能滑动，应力即集中在最短的分子链上，而先行被拉断。由于强固键能在炭黑粒子表面滑动，以及物理吸附的脱落，而缓冲了应力。此时另一条分子链也开始受力拉伸直至伸直如③所示。进一步拉伸时，各条分子链在炭黑表面的物理吸附已脱落，强固键亦都滑动至最适宜的位置，分子链均完全伸直如④所示。此时，由于每条分子链都分担了应力，扯断强度就提高了。如果继续拉伸，分子链就会断裂如⑤所示。而如果应力消除，橡胶分子链又可以慢慢通过强固键的滑动恢复到原来的松弛状态如⑥所示。

3.影响补强效能的因素

各种炭黑补强剂效能与下列因素有关：

1）炭黑粒径的影响

炭黑的粒径是影响补强效果的主要因素之一，炭黑粒径越小，越容易进入硫化胶网状结构中与橡胶分子形成较大的接触面积，发挥粒子的吸附补强作用。粒径越小，硫化胶耐磨性越好，扯断强度、抗撕裂强度增加，回弹性减小，硬度和滞后损失增大。但粒径太小，会导致分散困难，甚至某些性能下降。

2）炭黑结构性的影响

炭黑结构性对硫化胶定伸应力影响最大。炭黑聚集体存在空隙，结构性越高的炭黑，空隙越大。这些空隙在炼胶时被橡胶填充，这部分填充于炭黑聚集体空隙内的橡胶称为吸留橡胶。吸留橡胶在受应力时，一般不变形或较小变形，因而提高了橡胶的定伸应力。在相同粒径下，结构性越高，定伸应力越大，硬度越高，伸长率越低。

炭黑结构性对扯断强度和撕裂强度的影响与橡胶的种类有关。对于结晶性橡胶如天然橡胶等，由于吸留橡胶的存在，影响到在拉伸时部分橡胶分子链的定向和结晶，使橡胶不能充分发挥自我补强作用，因而加入高结构炭黑时扯断强度和抗撕裂强度不如加入低结构炭黑高。对于非结晶性橡胶如丁苯橡胶等，加入高结构性的炭黑有助提高硫化胶的扯断强度和抗撕裂强度。

3）炭黑表面性质的影响

炭黑表面性质对补强作用的影响不及粒径和结构性大。炭黑表面粗糙度大，炭黑与橡胶相互作用的表面积减少，导致补强作用下降。炭黑表面活性大，生成的结合胶越多，补强效果就提高。一般炭黑活性大，硫化胶的扯断强度、抗撕裂强度、耐磨性好，硬度大，伸长率小。

4）炭黑用量的影响

每一种补强剂都有自己的用量“极限”，在这个极限范围内，补强剂的加入是越多越好，超过这个极限时，橡皮的性能就要变坏，炭黑的用量直接影响到硫化胶的物理力学性能。炭黑用量增加，炭黑凝胶含量增大，导致橡胶运动能力下降，定伸应力提高，硬度增大，滞后损失增加，生热变大，伸长率、回弹性减小，对溶剂的溶胀率亦下降。对于扯断强度、抗撕裂强度、耐磨性能则随着炭黑用量的增加而提高，直至出现最大值，当炭黑用量再增加时，它们会降低。原因是炭黑与橡胶的结合少时，随着炭黑用量的增加，炭黑与橡胶的结合增加，当受到应力作用时能较好地分散应力，使扯断强度、抗撕裂强度、耐磨耗性能提高。而炭黑与橡胶的结合过多时，会过分限制了大分子链段的运动，使应力不容易或来不及分散而产生应力集中，结果反而导致扯断强度、抗撕裂强度、耐磨耗性能下降。炭黑用量对硫化胶性能的影响，对于不同性质的炭黑和胶种，变化规律基本相同的，只是变化的快慢、幅度的大小有所不同。