炭黑在轮胎橡胶中的作用机制
炭黑是一种无定形碳，具有极高的比表面积和丰富的表面化学活性。在轮胎橡胶中，炭黑主要通过物理吸附和化学键合的方式与橡胶分子相互作用。一方面，炭黑表面的微孔结构能够吸附橡胶分子链，形成物理交联点，限制橡胶分子链的运动，从而提高橡胶的强度和硬度;另一方面，炭黑表面的活性基团与橡胶分子链发生化学反应，形成化学键，进一步增强了橡胶的力学性能。这种双重作用机制使得炭黑成为轮胎橡胶不可或缺的补强剂，显著提升了轮胎的抗拉性、耐磨性等综合性能。
不同炭黑用量占比对轮胎抗拉性的影响
(一)低用量占比阶段
当炭黑用量占比较低时，橡胶基体中炭黑颗粒分布相对稀疏，物理交联点和化学键的数量有限。此时，橡胶分子链的运动受到的阻碍较小，轮胎材料表现出较低的模量和强度。在拉伸过程中，橡胶分子链能够相对自由地伸展和滑移，轮胎的抗拉性较弱。虽然低用量占比的炭黑在一定程度上能够改善橡胶的加工性能，如降低黏度、提高流动性，但无法满足轮胎在实际使用中对高抗拉性的要求。
(二)中等用量占比阶段
随着炭黑用量占比的逐渐增加，橡胶基体中炭黑颗粒的分布密度增大，物理交联点和化学键的数量显著增多。炭黑与橡胶分子链之间的相互作用增强，有效地限制了橡胶分子链的运动，使得轮胎材料的模量和强度大幅提高。在这一阶段，轮胎的抗拉性随着炭黑用量占比的增加而明显改善。当炭黑用量达到某一最佳范围时，轮胎能够在承受较大拉力时保持结构的稳定性，不易发生断裂，从而确保了轮胎在各种行驶条件下的安全性和可靠性。
(三)高用量占比阶段
然而，当炭黑用量占比超过一定限度后，情况开始发生变化。过量的炭黑颗粒在橡胶基体中容易出现团聚现象，导致炭黑与橡胶之间的界面结合力下降。部分炭黑颗粒无法充分发挥其补强作用，反而成为应力集中点。在拉伸过程中，这些应力集中点容易引发裂纹的萌生和扩展，从而降低轮胎的抗拉性。此外，高用量占比的炭黑还会使橡胶材料的硬度过高，弹性降低，影响轮胎的舒适性和抓地性能。
实验研究与分析
为了更准确地探究炭黑用量占比对轮胎抗拉性的影响，相关研究人员进行了一系列实验。实验选取了不同炭黑用量占比(如 10%、20%、30%、40%、50%)的轮胎橡胶样品，采用万能材料试验机对其进行拉伸性能测试。实验结果表明，随着炭黑用量占比从 10%增加到 30%，轮胎橡胶样品的抗拉强度和断裂伸长率均呈现上升趋势，其中抗拉强度从 10MPa 提高到 25MPa，断裂伸长率从 300%增加到 450%。当炭黑用量占比继续增加到 40%和 50%时，抗拉强度和断裂伸长率开始下降，抗拉强度分别降至 22MPa 和 18MPa，断裂伸长率分别降至 400%和 350%。这一实验结果与上述理论分析相吻合，进一步验证了炭黑用量占比存在一个最佳范围，能够使轮胎获得最佳的抗拉性能。
