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炭黑是如何补强橡胶的?


来源:中国粉体网   橙子

[导读]  炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料,可以毫不夸张的说,没有炭黑工业就没有现在蓬勃发展的橡胶工业。

中国粉体网讯  21世纪以来,由于科技的进步,橡胶的性能不断地被开发并应用,目前橡胶制品已存在于人们生活的方方面面,支持着人们的衣食住行。橡胶的作用如此巨大,除了橡胶本身拥有其他材料无可比拟的优点以外,填料还能赋予橡胶更多宝贵的性能,使其应用更加广泛。 




一、何为橡胶的补强?


填料是橡胶工业的主要原料之一,属粉体材料。填料用量相当大,几乎与橡胶本身用量相当。在橡胶加工中又将填料分为补强剂和填充剂。


橡胶的补强是指在橡胶中加入一种物质后,能够提升硫化橡胶的耐磨性、抗撕裂强度、拉伸强度、模量、抗溶胀性等性能的行为。凡具有这种作用的物质称为补强剂。


常用补强剂:炭黑、白炭黑、短纤维、无机纳米材料等。


二、橡胶用炭黑


炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料,可以毫不夸张的说,没有炭黑工业就没有现在蓬勃发展的橡胶工业。


按炭黑在橡胶中的作用将炭黑分为硬质炭黑软质炭黑


硬质炭黑:粒径在40nm以下,补强性能高的炭黑,如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。


软质炭黑:粒径在40nm以上,补强性低的炭黑,如半补强炭黑、热裂法炭黑等。


橡胶用炭黑一般按照ASIM-1765-81标准来分类命名。命名系统由四部分组成。第一个英文字母代表硫化速度,N代表正常硫化速度,S代表缓慢硫化速度。后面跟着三个数字,第一个代表炭黑平均粒径范围,共分为0~9个等级。第二和第三个数字则是由美国材料试验协会负责炭黑和术语的D24.41委员会指定的,反映不同的结构程度,也就是炭黑大概的高低结构确定的,有一定的任意性。相对而言,数字越大,结构越高。


ASIM的炭黑分类命名



三、炭黑补强机理


近半个世纪以来,人们对炭黑补强机理曾进行了广泛的讨论提出了多种补强学说。


(1)容积效应

(2)弱键和强键学说

(3)Bueche的炭黑粒子与橡胶链的有限伸长学说

(4)壳层模型理论

(5)橡胶大分子链滑动学说


前四种机理虽然都能说明一定的问题,但有局限性。随着时间进展,对机理不断在深化完善,橡胶大分子滑动学说的炭黑补强机理是一个比较完善的理论。


橡胶大分子链滑动学说


这是比较新和比较全面的炭黑补强理论。该理论的核心是橡胶大分子能在炭黑表面上滑动,由此解释了补强现象。炭黑粒子表面的活性不均一,有少数的活性点以及一系列的能量不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以有各种不同的结合能量,有多数弱的范德华力的吸附以致少量强的化学吸附。吸附的橡胶链段在应力作用下会滑动伸长。


大分子滑动学说概念图

 

(1)表示胶料原始状态,长短不等的橡胶分子链被吸附在炭黑离子表面上。 




(2)当伸长时。这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表面滑动,原始状态吸附的长度用点标出,可看出滑动的长度。这时应力有多数伸直的链承担,起应力均匀的作用,缓解应力集中为补强的第一个重要因素。


 


(3)当伸长再增大,链再滑动,使橡胶链高度取向,承担大的应力,有高的模量,为补强的第二个重要因素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损耗。损耗会消去一部分外力功,化为热量,使橡胶不受破坏,为补强的重要因素。



 

(4)是收缩后胶料的状况,表明再伸长时的应力软化效应,胶料回缩后炭黑粒子间橡胶链的长度差不多一样,再伸长就不需要再滑动一次,所需应力下降。



四、炭黑补强橡胶性能


补强橡胶的目的是为了提高橡胶的拉伸性能、抗撕裂能力、定伸应力和耐磨性等性能,使橡胶制品更有弹性,经久耐用。炭黑主要通过炭黑粒径的大小、结构度、和用量来调节补强橡胶的效果。


(1)拉伸性能


炭黑粒径小,表面活性大,结构度高,拉伸强度高;随炭黑用量增大,拉伸强度先增后降。


(2)撕裂强度


贪黑的粒径小,撕裂强度高;粒径相同时,对结晶性橡胶,结构度低的碳黑,撕裂强度高;对非结晶性橡胶,结构度高的炭黑,撕裂强度高;随炭黑用量增大,撕裂强度先增后降。


(3)定伸应力和硬度


炭黑粒径小,结构度高,表面活性大,用量大,胶料的定伸应力和硬度高,其中以结构度影响最大。炭黑对胶料定伸应力和硬度的影响要比胶种、硫化体系大得多。


(4)耐磨性


炭黑粒径小,表面活性大,分散性好,胶料耐磨性好。


(5)弹性


粒径小、结构度高、表面活性大,用量大,胶料的弹性差。其中炭黑用量影响最大。


由此可见,根据橡胶制品的不同选择合适的炭黑种类对橡胶进行补强至关重要。结合ASIM对炭黑的分类,你知道该选择哪种炭黑了吗?


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