炭黑的生产、分类和命名一．炭黑的定义炭黑是由许多烃类物质（固态、液态或气态）经不完全燃烧或裂解生成的。

它主要由碳元素组成，其微晶具有准石墨结构，且呈同心取向，其粒子是近乎球形的粒子，而这些粒子大都熔结成聚集体。

二．炭黑的分类炭黑是橡胶工业的主要补强剂。

为适应橡胶工业的发展要求，人们开发了五十余种规格牌号的炭黑。

以前炭黑分类有按制法分，也有按作用分，后来发展了ASTM-1765这种新的分类方法。

这种方法的出现结束了以前分类混乱、缺乏科学表征炭黑的状况，但其缺点是没有反映出炭黑的结构度。

炭黑的几种分类方法分述如下。

1．按制造方法分（1）接触法炭黑：接触法炭黑，其中包括槽法炭黑、滚筒法炭黑和圆盘法炭黑。

槽法炭黑转化率大约为5%。

其特点是含氧量大（平均可达3%），呈酸性，灰分较少（一般低于0.1%）。

（2）炉法炭黑：炉法炭黑的特点是含氧量少（约1%），呈碱性，灰分较多（一般为0.2%~0.6%），这可能是由于水冷时水中矿物质带来的。

（3）热裂法炭黑：转化率30%~47%。

炭黑粒子粗大，补强性低，含氧量低（不到0.2%），含碳量达99%以上。

（4）新工艺炭黑：新工艺炭黑的聚集体较均匀，分布较窄，着色强度比传统的高十几个单位，形态较开放，表面较光滑。

N375、N339、N352、N234、N299等均为新工艺炭黑。

2．按作用分：硬质炭黑：粒径在40nm以下，补强性高的炭黑，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。

这种分类方法比较粗略，主要是根据炭黑的性质及对橡胶的补强效果来分类命名的。

3．按ASTM标准分类我国在80年代开始采用美国ASTM-1765-81分类命名法。

该命名法由四个字组成，第一个符号为N或S，代表硫化速度。

其中N表示正常硫化速度；而S表示硫化速度慢。

N及S符号后有三个数，第一位数表示炭黑的平均粒径范围；第二位和第三位数无明确意义，代表各系列中不同牌号间的区别。

其粒径按电镜法测得的数据划分为10个范围，橡胶用炭黑粒径范围在11-500nm之间，表3-2是橡胶用炭黑的分类命名。

表3-2 橡胶用炭黑粒径分类ASTM系列粒径范围nm 典型炭黑品种ASTM名称英文缩写中文名称1~10N100 11~19 N110 SAF 超耐磨炉黑N200 20~25 N220 ISAF 中超耐磨炉黑N300 26~30 N330 HAF 高耐磨炉黑N400 31~39 N472 XCF 特导电炉黑N500 40~48 N550 FEF 快压出炉黑N600 49~60 N660 GPF 通用炉黑N700 61~100 N765 SRF-HS 高结构半补强炉黑N800 101~200 N880 FT 细粒子热裂法炭黑N900 201~500 N990 MT 中粒子热裂法炭黑S200 20~25 S212 ISAF-LS-SC 代槽炉黑（中超耐磨炉黑型）S300 26~30 S315 HAF-LS-SC 代槽炉黑（超耐磨炉黑型）§3-3 炭黑的性质炭黑的粒径（或比表面积）、结构性和表面活性，一般认为是炭黑的三大基本性质。

用于高性能轮胎的白炭黑/炭黑翟俊学，张萍，赵树高青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛266042高性能轮胎是近年来轮胎行业广为关注的重点研究课题之一，在轮胎胎面胶的配合体系研究及应用中，研究重点一方面致力于新型橡胶的开发以及通用橡胶的改性或并用，另一方面侧重于补强填料的开发或改性，二者都是影响轮胎胎面胶滚动阻力、抗湿滑性能、耐磨性能等行驶性能的重要因素。

众所周知，纳米级尺寸的硬相粒子，可以显著提高橡胶的物理机械性能，而白炭黑/炭黑是2种具有高表面活性、高分散度的纳米级尺寸粒子，尤其粒子表面存在的各种官能团，可以和橡胶产生强烈的相互作用。

因而研究白炭黑/炭黑对轮胎行驶性能的影响是非常重要的。

本文讨论了近年来在白炭黑/炭黑的开发、改性及在高性能轮胎中的应用等方面的技术成果。

1 白炭黑体系白炭黑已经被广泛应用于轮胎行业中，特别是高分散性沉淀法白炭黑，不仅能降低滚动阻力，还有助于改善抗湿滑性能，但其缺点也很明显，即加工工艺比较复杂，而且白炭黑之间强烈的相互作用使其在橡胶中的分散比较困难，虽然加入硅烷偶联剂有利于白炭黑的分散，同时降低胶料的门尼粘度，但分散仍然不够均匀，而且还提高了胶料的定伸应力。

在实际工业生产中，采用动态反应性混炼(140-160℃，3-4min，3段甚至4段混炼)可以得到部分改善，即白炭黑和硅烷偶联剂混炼时在高温下保持一段时间，使二者充分反应，从而提高白炭黑的分散性。

有的研究采用并用树脂或脂肪酸酯来改善白炭黑的分散性，同时可以降低混炼胶的粘度，而且对硅烷偶联反应产生最小的影响。

白炭黑还有一个静电问题，白炭黑胶料的电阻较高，因此一般不单用白炭黑，至少掺10份炭黑，以减少静电。

表1是典型低滚动阻力轮胎胎面胶的配方。

表1 典型低滚动阻力胎面胶配方━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━组分用量/份─────────────────────高乙烯基SSBR① 75高顺式BR② 25白炭黑[表面积150-190(m^2/g)] 80芳烃操作油(高粘度) 32.5氧化锌 2.5硬脂酸 1防老剂6PPD 2微晶蜡 1.5炭黑N330 变量③硅烷变量④硫黄 1.4促进剂CBS 1.7促进剂DPG 2━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━注：①苯乙烯质量分数0.12、乙烯基质量分数0.46，Tg为-42℃。

②顺式质量分数和0.98，Tg为-104℃。

③白炭黑的用量占炭黑总量的50%以下。

④硅烷偶联剂用量为白炭黑用量的8%-10%。

1.1 白炭黑Willam等人研究了胎面胶中高分散白炭黑、易分散白炭黑和普通白炭黑之间的区别。

他们发现白炭黑胶料的交联时间较长，门尼粘度随白炭黑用量的增加而增大；60℃时胶料的损耗因子随白炭黑用量的增加而增大，其中高分散白炭黑胶料的损耗因子最低，力学性能也最好。

总之，目前在胎面胶配方中，白炭黑的用量占炭黑总量的50%以下，硅烷偶联剂的用量为白炭黑用量的8%-10%，这样既可使轮胎的耐磨性和抗湿滑性保持较高的水平，又可降低轮胎的滚动阻力，但各种白炭黑的混炼工艺性能仍然未能得到有效改善。

胡庆福等人以CO2混合气体和水玻璃为原料，在助剂作用下，采用CO2沉淀法制取高补强白炭黑，并得到其最佳工艺条件为水玻璃浓度35g/L，反应温度70℃，助剂质量分数为0.7%，反应时间60min。

即使在单独使用该白炭黑补强后，硫化橡胶样品的扯断强度达到12.3MPa。

1.2 白炭黑改性白炭黑和硅烷偶联剂并用可以有效降低轮胎胎面的滚动阻力并提高抗湿滑性能。

按照硅烷偶联剂的应用范围可分为2类，硫代氰基硅烷(Si-264)和四硫醚硅烷(Si-69)等用于非炭黑填充的硫黄硫化胶料。

该偶联剂中的甲氧基和乙氧基在反应的过程中与白炭黑表面上的硅醇基团反应形成强键；而硫官能团在硫化过程中与硫黄和促进剂反应，并与聚合物链形成硫键(硫链长度由存在的硫黄量所决定)。

另一大类包括含其它官能团如氯、氨基、乙烯基、甲基丙烯基或环氧基的硅烷，它们主要用于非硫黄硫化体系；这些官能团要求与硫化的体系相匹配，才能在硫化过程中与聚合物的键合达到最佳效果。

目前在胎面胶配方中最常使用的偶联剂是多硫硅烷，通常为双(3-三乙氧基硅-1-丙基)四硫化物，一般称为TESPT。

包括奥斯佳有机硅公司生产的硅烷偶联剂，名为Silquist A1289；另一硅烷偶联剂Si-69，是由德固萨公司生产的。

这2种产品虽然称为四硫化物，但实际上是多硫化物的混合物，每个分子中平均有3.6个硫原子，硅烷与白炭黑的偶联作用主要由硅烷中硫的质量分数(即二硫、三硫、四硫和更高硫原子数硫键)的分布决定。

研究表明，将多硫化硅烷中硫键的平均硫原子数从3.6降至2，可以提高低滚动阻力胎面胶的工艺性能，但其物理性能和60℃时的tanδ值有所下降。

通过在低硫原子数硫键混炼胶中加入硫，使总硫质量分数达到四硫化物的水平，则其大部分物理性能和动态性能就不会下降。

若把额外的硫加到硫化剂中，则可保持其优异的工艺性能。

但是硅烷偶联剂的反应必须要有水分的参与，水分质量分数在0.06以上的白炭黑胶料的性能基本相同，而水分质量分数较低的白炭黑会对胶料的性能有不利影响。

Mandal S K等的研究发现许多硫代磷酰基有机物可以和白炭黑发生反应，在白炭黑填充NR中产生异丙醇，从而形成了白炭黑和橡胶的分子桥Si-O-P，这些化合物的行为类似于硅烷偶联剂。

Ou Y C等研究了烷基化白炭黑对橡胶补强效果的影响，发现白炭黑烷基化后提高了其和橡胶基体的相容性，更容易在NR和SBR中分散，所得硫化胶具有更小的tanδ。

但是，烷基化后白炭黑的增强效果明显减弱，这是因为聚合物与填料之间，以及填料与填料之间的相互作用减弱所致。

二硝基二胺类偶联剂是近年来继硅烷类和钛酸酯偶联剂后发现的又一类较好的偶联剂，用它改性的白炭黑能有效地改善硫化胶的动态性能。

该类偶联剂中具有代表性的是N,N’-双-(2-甲基-2-硝基丙基)-1,6-二胺基己烷(BNAH)。

它对聚合物与填充剂之间的偶联机理是，经过加热产生1个活性二元游离基，该游离基的两端分别与橡胶和填充剂反应，交联结构为-CH2NH(CH2)6NHCH2- ，即在聚合物与填充剂之间形成了1个烷基长链。

该类偶联剂可广泛地应用于橡胶与各种炭黑、无机纤维及无机填料之间的偶联。

将其应用于炭黑配合体系，在不延长焦烧时间的前提下，可以降低硫化胶的压缩疲劳生热与损耗因子。

BNAH用于橡胶与无机填料之间的偶联，不仅可以提高硫化胶的动态性能(如降低生热与损耗因子)，而且可以提高硫化胶的拉伸强度与耐撕裂性能。

贾红兵等人综合研究了各种偶联剂如硅烷类、钛酸酯类及表面活性剂苯磺酸钠等对白炭黑进行表面改性，从而改善橡胶与填料之间的结合作用，提高橡胶材料的耐磨性能。

耐磨性的优劣顺序为：硅烷类偶联剂>表面活性剂>钛酸酯类偶联剂。

有日本专利介绍胎面胶料用改性松香/白炭黑填充后，门尼粘度大幅下降，抗湿滑性能增加，同时滚动阻力变化不大。

这种改性松香是一种软化温度在150℃以下的醇性酯，是用松香或马来酸酐改性松香与甘油等等多元醇反应得到的。

1.3 炭黑/白炭黑双相填料炭黑/白炭黑双相填料是一种独特的橡胶补强填料，特别适用于轮胎，它是用卡博特公司开发的独特的技术生产的。

传统的炭黑90%-99%由碳元素组成，氧和氢是其它主要成分，而这种新型填充剂是由分散在炭黑相中的白炭黑相构成。

这种新型填充剂的主要特点是提高了烃类弹性体中橡胶-填充剂的相互作用，而降低了填充剂-填充剂的相互作用。

研究结果表明，与炭黑胶料和白炭黑胶料相比，双相填料只需要使用少量的偶联剂，而对胶料滞后损失和耐磨性能的平衡改进很大，胶料的tan δ值在低温下较高，在高温下较低，同时耐磨性能有所提高。