【炭黑产业网】7月22日消息，在橡胶工业领域，沉淀法白炭黑作为关键的补强填料，其各项性能指标对橡胶耐磨性有着直接或间接的重要影响。这些指标通过作用于与橡胶基质的界面、橡胶的分散性以及力学性能等多个方面，进而左右橡胶的耐磨表现。以下将深入剖析各关键指标对橡胶耐磨性的影响机制。
比表面积(BET)：补强与分散的微妙平衡
比表面积堪称白炭黑的核心指标之一，它直观地反映了白炭黑与橡胶的接触面积大小以及补强能力的强弱，对橡胶耐磨性的影响不容小觑。在一定范围内，当比表面积增大，例如从100㎡/g提升至200㎡/g时，白炭黑与橡胶基质的界面接触面积显著增加。此时，凭借“锚定效应”，界面结合力得到增强，橡胶的抗变形能力和补强效果也随之提升。具体表现为橡胶的硬度、拉伸强度、撕裂强度均有所提高，在磨损过程中，橡胶不易因局部应力过大而出现材料脱落，耐磨性得到显著增强。然而，若比表面积过大，超过250㎡/g时，白炭黑粒子间的范德华力和氢键作用会增强，导致粒子容易团聚，尤其是在未经过表面处理的情况下。团聚体的形成会使白炭黑在橡胶中的分散性急剧下降，在橡胶中形成“应力集中点”。在磨损过程中，这些“应力集中点”会优先从周围发生断裂，进而使橡胶的耐磨性下降。因此，存在一个最佳比表面积范围，通常在150 - 220㎡/g之间(具体数值因橡胶种类而异)，在这个范围内，白炭黑的分散性和补强效果能够达到平衡，从而使橡胶的耐磨性达到最优。
粒径与粒径分布：小而均匀更利于耐磨
白炭黑的原始粒径(或聚集体粒径)以及粒径分布情况，会通过影响其在橡胶中的分散均匀性和界面作用，间接对橡胶的耐磨性产生影响。从粒径大小来看，粒径越小，通常与比表面积呈正相关关系，补强效果也就越强，原理与比表面积的影响类似。但当粒径过小，例如原始粒径小于10nm时，粒子间的团聚能会显著提高，分散难度大幅增加。这会导致橡胶中出现局部缺陷，从而降低橡胶的耐磨性。在粒径分布方面，粒径分布窄的白炭黑在橡胶中能够更均匀地分散，可以避免因大颗粒(或团聚体)形成的“薄弱点”。如果粒径分布过宽，例如同时存在10nm和100nm以上的粒子，大颗粒就会成为磨损的起点，在磨损过程中优先被磨除，进而导致橡胶的耐磨性下降。所以，小粒径(与最佳比表面积相匹配)且分布窄的白炭黑，更有利于提升橡胶的耐磨性。
结构度(DBP吸油量)：构建致密网络提升耐磨
结构度反映了白炭黑聚集体的枝状复杂程度，通常通过DBP吸油量来表征，DBP吸油量值越高，结构度就越高，这一指标会影响橡胶的网络结构和抗变形能力。结构度高的白炭黑，其聚集体呈三维枝状结构，在橡胶中能够形成更致密的“骨架网络”。这种网络结构可以增强橡胶的弹性和抗压缩变形能力。在磨损过程中，它能够缓冲外力冲击，减少材料因反复形变而产生的疲劳磨损，从而提升橡胶的耐磨性。不过，如果结构度过高，当DBP吸油量大于300mL/100g时，白炭黑聚集体间容易缠结，导致橡胶在混炼时门尼粘度急剧上升，加工流动性变差，分散不均匀。局部结构过密的区域会因应力集中而加速磨损，反而降低橡胶的耐磨性。据炭黑产业网了解，中等结构度(DBP吸油量在200 - 250mL/100g)更适合平衡加工性和耐磨性。
表面羟基含量(Si - OH)：相容性与界面结合的关键
白炭黑表面的硅羟基(Si - OH)是影响其与橡胶相容性的关键因素，会通过界面结合力间接影响橡胶的耐磨性。在未经过处理时，如果羟基含量过高，例如大于5个/nm²，粒子间容易通过氢键形成硬团聚，导致分散性变差。同时，羟基与橡胶分子(橡胶多为非极性)的相容性较差，界面结合力弱，在磨损时白炭黑容易从橡胶中脱落，从而使橡胶的耐磨性下降。而经过硅烷偶联剂(如Si69)处理后，偶联剂会与羟基发生反应，减少粒子间的团聚，同时引入与橡胶相容的基团(如硫醇基)，增强界面结合力。此时，白炭黑与橡胶形成“化学锚定”，应力传递均匀，在磨损时不易发生界面剥离，橡胶的耐磨性得到显著提升。因此，羟基含量需要适中，保持在3 - 5个/nm²，并且需要配合硅烷偶联剂处理，才能最大化界面结合，提升橡胶的耐磨性。
pH值：影响硫化体系与耐磨性
白炭黑的pH值(通常在6.0 - 8.0之间)主要通过影响橡胶的硫化体系，间接对橡胶的耐磨性产生影响。如果酸性过强，pH值小于6.0，会抑制硫化促进剂的活性，延缓硫化速度，甚至导致硫化不完全，使橡胶的交联密度不足。低交联密度的橡胶力学性能(如拉伸强度、硬度)会下降，在磨损时容易发生塑性变形和材料流失，耐磨性变差。相反，如果碱性过强，pH值大于8.0，可能会加速硫化(尤其对噻唑类促进剂)，导致硫化前期过快，交联不均匀，出现局部过交联或欠交联的情况。过交联区域容易脆化，欠交联区域强度低，这些都会降低橡胶的耐磨性。所以，中性至弱酸性(pH值在5.0 - 7.0)更有利于硫化均匀性，保障橡胶的力学性能，从而提升橡胶的耐磨性。
杂质含量：严格控制以保障耐磨
白炭黑中的杂质(如Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等金属离子，或未反应的盐类)会通过破坏橡胶结构或影响硫化过程，降低橡胶的耐磨性。金属离子方面，Fe³⁺等过渡金属离子是橡胶氧化老化的催化剂，会加速橡胶分子链的断裂，导致材料的力学性能随时间衰减，耐磨性下降。Ca²⁺、Mg²⁺可能与橡胶中的硫化剂反应，干扰硫化过程，降低橡胶的交联密度。可溶性盐方面，杂质盐类(如Na₂SO₄)含量过高会提高白炭黑的吸湿性，导致橡胶在加工时产生气泡，形成内部缺陷。在磨损过程中，这些缺陷处会优先被破坏，从而降低橡胶的耐磨性。因此，杂质含量需要严格控制，例如Fe³⁺含量应小于1000ppm，以减少对橡胶性能的负面影响。
总体而言，沉淀法白炭黑对橡胶耐磨性的影响是多指标协同作用的结果。比表面积和粒径决定了白炭黑的基础补强能力，结构度影响橡胶网络的稳定性，表面羟基和pH值调控界面结合与硫化均匀性，杂质则通过破坏橡胶结构降低性能。在实际应用中，需要根据橡胶的种类(如轮胎胎面胶、密封胶等)优化各指标的组合。例如，轮胎胎面胶通常选择高比表面积、中结构度、低杂质的白炭黑，并配合硅烷偶联剂，以实现耐磨性的最大化。
