作為一種重要的工業(yè)原料，炭黑在橡膠、塑料和涂料工業(yè)中有許多應(yīng)用。調(diào)查表明，炭黑作為橡膠顏料、補(bǔ)強(qiáng)劑、導(dǎo)熱添加劑，用于汽車輪胎中占總量的70%。炭黑是一種重要的補(bǔ)強(qiáng)填料。在橡膠工業(yè)中，在橡膠基質(zhì)中添加炭黑將顯著提高橡膠產(chǎn)品的性能。它不僅可以提高橡膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，還可以提高橡膠的耐磨性，從而延長(zhǎng)橡膠的使用壽命；到目前為止，已有100多年的歷史。
結(jié)合橡膠也稱為炭黑凝膠,指未硫化混煉膠在填料(炭黑)表面上不能被良溶劑溶解的那部分橡膠。實(shí)質(zhì)上是填料表面上吸附的橡膠,也就是填料與橡膠間的界面層中的橡膠,具有類似玻璃態(tài)的特點(diǎn)。結(jié)合橡膠多則補(bǔ)強(qiáng)性強(qiáng),所以結(jié)合橡膠是衡量炭黑補(bǔ)強(qiáng)能力的標(biāo)尺。
結(jié)合橡膠是如何形成的
結(jié)合橡膠通常指補(bǔ)強(qiáng)劑（炭黑、白炭黑等）與生膠混煉時(shí)生成的不溶于苯或甲苯（或其他良溶劑，因?yàn)楸綄?duì)橡膠的溶解性最好，故以它作代表）的那部分橡膠。
結(jié)合橡膠本質(zhì)上是吸附在填料表面上的橡膠，也就是填料與橡膠間的界面層中的橡膠。通常采用結(jié)合橡膠來(lái)衡量炭黑和橡膠之間相互作用力的大小，結(jié)合橡膠多則補(bǔ)強(qiáng)性高，所以結(jié)合橡膠通常被看作衡量炭黑補(bǔ)強(qiáng)能力的重要指標(biāo)。結(jié)合橡膠的測(cè)試也可用作表征填料表面活性的測(cè)試手段。
結(jié)合橡膠的形成主要通過(guò)一下兩個(gè)方面：
一是吸附在炭黑表面上的橡膠分子鏈與炭黑的表面基團(tuán)結(jié)合，或者橡膠在加工過(guò)程中經(jīng)過(guò)混煉和硫化產(chǎn)生大量橡膠自由基或離子與炭黑結(jié)合，發(fā)生化學(xué)吸附，這是生成結(jié)合橡膠的主要原因。
二是橡膠大分子鏈在炭黑粒子表面上的物理吸附，這些物理吸附的力大于良溶劑的溶解力。要知道，要同時(shí)解脫所有被炭黑吸附的橡膠大分子鏈并非易事，只要有少量的吸附點(diǎn)未能脫附繼續(xù)存在，就可能使整個(gè)橡膠分子鏈保留在填料表面成為結(jié)合橡膠。
結(jié)合橡膠是填料表面對(duì)橡膠的吸附產(chǎn)生的,所以任何影響這種吸附的因素均會(huì)影響結(jié)合橡膠,其因素是多方面的。
①炭黑比表面積的影響結(jié)合膠幾乎與填料的比表面積成正比增加,隨比表面積增大,與橡膠形成的界面積增大(當(dāng)分散程度相同情況下),吸附表面積增大,吸附量增大,即結(jié)合橡膠增加。
②混煉薄通次數(shù)的影響在天然橡膠中結(jié)合膠約在薄通10次時(shí)為最高,以后有些下降,約在30次后趨于平穩(wěn)。開(kāi)始的增加是由于混煉增加了分散性,增加濕潤(rùn)的作用,同時(shí)也增加了大分子的斷鏈。天然橡膠是一種很容易產(chǎn)生氧化降解的物質(zhì),那些只有二點(diǎn)吸附的大分子鏈的自由鏈部分可能存在于玻璃態(tài)層及亞玻璃層外面。這部分橡膠分子鏈薄通時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生力學(xué)斷鏈及氧化斷鏈這種斷鏈可能切斷了吸附點(diǎn)的連接,這樣就會(huì)使結(jié)合膠量下降氯丁橡膠、丁苯橡膠和丁基橡膠隨薄通次數(shù)的變化如下:結(jié)合膠隨薄通次數(shù)增加而增加,大約到30次后趨于平衡。
③溫度的影響混好的試樣放在不同溫度下保持一定時(shí)間后測(cè)結(jié)合橡膠量,隨處理溫度升高,即吸附溫度提高,結(jié)合膠量提高,這種現(xiàn)象和吸附規(guī)律是一致的。
與上述現(xiàn)象相反,混煉溫度對(duì)結(jié)合膠的影響卻是混煉溫度越高則結(jié)合膠越少。這可能是因?yàn)闇囟壬?橡膠變得柔軟而不易被機(jī)械力破壞斷鏈形成大分子自由基,炭黑在這樣柔軟的橡膠環(huán)境中也不易產(chǎn)生斷鏈形成自由基,因此在高溫?zé)捘z時(shí)形成的結(jié)合膠比低溫?zé)捘z時(shí)的少。
④橡膠分子量的影響隨橡膠分子量增加,結(jié)合膠增加。這是因?yàn)橐粋€(gè)分子可能只有一、二點(diǎn)被吸附住,但這時(shí)它的其余鏈部分都是結(jié)合膠,所以分子量大,結(jié)合膠就多。
⑤停放時(shí)間的影響混煉后隨停放時(shí)間增加,結(jié)合膠量增加,大約一周后趨于平衡。因?yàn)楣腆w填料對(duì)橡膠大分子的吸附不像對(duì)氣體或小分子吸附那么容易。另外化學(xué)吸附部分較慢,也需要一定時(shí)間。這也是膠料混煉需要停放的原因之一。
⑥炭黑中氫含量的影響(表面活性)表面活性越高,炭黑與橡膠之間的吸附作用越大,因而結(jié)合膠量越多。
結(jié)合橡膠如何影響制品性能
混煉膠的加工性能和硫化后橡膠的很多物理性能都和結(jié)合橡膠有關(guān)。例如擠出時(shí)的口型膨脹，大家談?wù)撟疃嗟哪ズ男阅?、生熱性能、以及撕裂性能等?/span>
尤其是關(guān)于結(jié)合橡膠和橡膠磨耗性能的報(bào)道相對(duì)較多?？傮w上講，結(jié)合橡膠越多有利于提升磨耗指數(shù)，同時(shí)有利于降低橡膠的生熱。但結(jié)合橡膠的數(shù)量與這些性能往往不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。特別是在結(jié)合橡膠數(shù)量與其它性能的關(guān)聯(lián)性上，根據(jù)配方不同可能得到截然不同的結(jié)論。
另外，關(guān)于結(jié)合橡膠的種類的影響，行業(yè)內(nèi)也沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。但測(cè)試結(jié)合橡膠的意義在于，它雖然不直接和橡膠制品的使用性能相關(guān)，卻與一些材料的基本性能密切相關(guān)，例如對(duì)應(yīng)變放大效應(yīng)的影響，對(duì)應(yīng)力軟化效應(yīng)的影響，對(duì)橡膠分子鏈滑移的影響，以及對(duì)橡膠分子纏繞程度的影響。
通過(guò)研究結(jié)合橡膠對(duì)這些材料的基本性能的影響，就可以對(duì)這些基本性能如何影響橡膠制品的最終使用性能有更加清晰的認(rèn)識(shí)。
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結(jié)合橡膠也稱為炭黑凝膠,指未硫化混煉膠在填料(炭黑)表面上不能被良溶劑溶解的那部分橡膠。實(shí)質(zhì)上是填料表面上吸附的橡膠,也就是填料與橡膠間的界面層中的橡膠,具有類似玻璃態(tài)的特點(diǎn)。結(jié)合橡膠多則補(bǔ)強(qiáng)性強(qiáng),所以結(jié)合橡膠是衡量炭黑補(bǔ)強(qiáng)能力的標(biāo)尺。
結(jié)合橡膠是如何形成的
結(jié)合橡膠通常指補(bǔ)強(qiáng)劑（炭黑、白炭黑等）與生膠混煉時(shí)生成的不溶于苯或甲苯（或其他良溶劑，因?yàn)楸綄?duì)橡膠的溶解性最好，故以它作代表）的那部分橡膠。
結(jié)合橡膠本質(zhì)上是吸附在填料表面上的橡膠，也就是填料與橡膠間的界面層中的橡膠。通常采用結(jié)合橡膠來(lái)衡量炭黑和橡膠之間相互作用力的大小，結(jié)合橡膠多則補(bǔ)強(qiáng)性高，所以結(jié)合橡膠通常被看作衡量炭黑補(bǔ)強(qiáng)能力的重要指標(biāo)。結(jié)合橡膠的測(cè)試也可用作表征填料表面活性的測(cè)試手段。
結(jié)合橡膠的形成主要通過(guò)一下兩個(gè)方面：
一是吸附在炭黑表面上的橡膠分子鏈與炭黑的表面基團(tuán)結(jié)合，或者橡膠在加工過(guò)程中經(jīng)過(guò)混煉和硫化產(chǎn)生大量橡膠自由基或離子與炭黑結(jié)合，發(fā)生化學(xué)吸附，這是生成結(jié)合橡膠的主要原因。
二是橡膠大分子鏈在炭黑粒子表面上的物理吸附，這些物理吸附的力大于良溶劑的溶解力。要知道，要同時(shí)解脫所有被炭黑吸附的橡膠大分子鏈并非易事，只要有少量的吸附點(diǎn)未能脫附繼續(xù)存在，就可能使整個(gè)橡膠分子鏈保留在填料表面成為結(jié)合橡膠。
結(jié)合橡膠是填料表面對(duì)橡膠的吸附產(chǎn)生的,所以任何影響這種吸附的因素均會(huì)影響結(jié)合橡膠,其因素是多方面的。
①炭黑比表面積的影響結(jié)合膠幾乎與填料的比表面積成正比增加,隨比表面積增大,與橡膠形成的界面積增大(當(dāng)分散程度相同情況下),吸附表面積增大,吸附量增大,即結(jié)合橡膠增加。
②混煉薄通次數(shù)的影響在天然橡膠中結(jié)合膠約在薄通10次時(shí)為最高,以后有些下降,約在30次后趨于平穩(wěn)。開(kāi)始的增加是由于混煉增加了分散性,增加濕潤(rùn)的作用,同時(shí)也增加了大分子的斷鏈。天然橡膠是一種很容易產(chǎn)生氧化降解的物質(zhì),那些只有二點(diǎn)吸附的大分子鏈的自由鏈部分可能存在于玻璃態(tài)層及亞玻璃層外面。這部分橡膠分子鏈薄通時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生力學(xué)斷鏈及氧化斷鏈這種斷鏈可能切斷了吸附點(diǎn)的連接,這樣就會(huì)使結(jié)合膠量下降氯丁橡膠、丁苯橡膠和丁基橡膠隨薄通次數(shù)的變化如下:結(jié)合膠隨薄通次數(shù)增加而增加,大約到30次后趨于平衡。
③溫度的影響混好的試樣放在不同溫度下保持一定時(shí)間后測(cè)結(jié)合橡膠量,隨處理溫度升高,即吸附溫度提高,結(jié)合膠量提高,這種現(xiàn)象和吸附規(guī)律是一致的。
與上述現(xiàn)象相反,混煉溫度對(duì)結(jié)合膠的影響卻是混煉溫度越高則結(jié)合膠越少。這可能是因?yàn)闇囟壬?橡膠變得柔軟而不易被機(jī)械力破壞斷鏈形成大分子自由基,炭黑在這樣柔軟的橡膠環(huán)境中也不易產(chǎn)生斷鏈形成自由基,因此在高溫?zé)捘z時(shí)形成的結(jié)合膠比低溫?zé)捘z時(shí)的少。
④橡膠分子量的影響隨橡膠分子量增加,結(jié)合膠增加。這是因?yàn)橐粋€(gè)分子可能只有一、二點(diǎn)被吸附住,但這時(shí)它的其余鏈部分都是結(jié)合膠,所以分子量大,結(jié)合膠就多。
⑤停放時(shí)間的影響混煉后隨停放時(shí)間增加,結(jié)合膠量增加,大約一周后趨于平衡。因?yàn)楣腆w填料對(duì)橡膠大分子的吸附不像對(duì)氣體或小分子吸附那么容易。另外化學(xué)吸附部分較慢,也需要一定時(shí)間。這也是膠料混煉需要停放的原因之一。
⑥炭黑中氫含量的影響(表面活性)表面活性越高,炭黑與橡膠之間的吸附作用越大,因而結(jié)合膠量越多。
結(jié)合橡膠如何影響制品性能
混煉膠的加工性能和硫化后橡膠的很多物理性能都和結(jié)合橡膠有關(guān)。例如擠出時(shí)的口型膨脹，大家談?wù)撟疃嗟哪ズ男阅?、生熱性能、以及撕裂性能等?/span>
尤其是關(guān)于結(jié)合橡膠和橡膠磨耗性能的報(bào)道相對(duì)較多?？傮w上講，結(jié)合橡膠越多有利于提升磨耗指數(shù)，同時(shí)有利于降低橡膠的生熱。但結(jié)合橡膠的數(shù)量與這些性能往往不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。特別是在結(jié)合橡膠數(shù)量與其它性能的關(guān)聯(lián)性上，根據(jù)配方不同可能得到截然不同的結(jié)論。
另外，關(guān)于結(jié)合橡膠的種類的影響，行業(yè)內(nèi)也沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。但測(cè)試結(jié)合橡膠的意義在于，它雖然不直接和橡膠制品的使用性能相關(guān)，卻與一些材料的基本性能密切相關(guān)，例如對(duì)應(yīng)變放大效應(yīng)的影響，對(duì)應(yīng)力軟化效應(yīng)的影響，對(duì)橡膠分子鏈滑移的影響，以及對(duì)橡膠分子纏繞程度的影響。
通過(guò)研究結(jié)合橡膠對(duì)這些材料的基本性能的影響，就可以對(duì)這些基本性能如何影響橡膠制品的最終使用性能有更加清晰的認(rèn)識(shí)。
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