補(bǔ)強(qiáng)劑之所以能提高橡膠制品的硬度和機(jī)械強(qiáng)度是因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)劑粒子表面與橡膠大分子接觸產(chǎn)生物理吸附作用，而補(bǔ)強(qiáng)劑粒子的活性表面與橡膠分子鏈又結(jié)合成牢固的化學(xué)鍵, 生成“結(jié)合橡膠”，既有物理作用, 也有化學(xué)作用。
沉淀法白炭黑粒子含有多種硅醇基。紅外光譜圖表明在白炭黑表面存在三類(lèi)羥基：硅氧基、隔離輕基、氫鍵連結(jié)。白炭黑分子結(jié)構(gòu)中心的一Si一O一鍵具有極性, 有很大的結(jié)合能力,這就使白炭黑微粒表面活性大, 能與橡膠分子發(fā)生作用, 煉膠過(guò)程中高分子的橡膠烴基斷裂生成自由基,與白炭黑表面層一OH 作用。另外, 白炭黑微粒的無(wú)定形狀態(tài), 結(jié)晶混亂, 致使表面層形成靜電場(chǎng), 對(duì)橡膠高分子的不飽和雙鍵發(fā)生誘導(dǎo)效應(yīng)，促使兩者結(jié)合。
1. 粒徑的影響
沉淀法白炭黑粒徑分原始粒徑和二次結(jié)構(gòu)粒徑。一般來(lái)說(shuō), 白炭黑在膠料混煉過(guò)程中二次結(jié)構(gòu)破裂, 因此影響橡膠膠料性能最主要的是原始粒徑。沉淀法白炭黑原始粒徑在8-110nm，粒徑細(xì), 則分散性能好, 與橡膠接觸的有效面積也大, 對(duì)橡膠補(bǔ)強(qiáng)顯然有利。
從橡膠補(bǔ)強(qiáng)作用機(jī)理看來(lái)，白炭黑表面層一OH 的多少, 直接關(guān)系到補(bǔ)強(qiáng)效果。美國(guó)化學(xué)家R·K·ILer在對(duì)水凝膠一次粒子的大小與羥基數(shù)的關(guān)系的研究中總結(jié)出以下規(guī)律，這種規(guī)律性揭示了白炭黑粒徑對(duì)橡膠膠料強(qiáng)度的影響(見(jiàn)表1)?？梢?jiàn)d越小, 活性基團(tuán)越多, 粒子與橡膠之間作用越強(qiáng), 強(qiáng)度越大。
表1 一次粒子大小與羥基數(shù)關(guān)系
n(一次粒子硅原子數(shù))840100311143811500
d(一次粒子直徑nm)0.891.522.063.05.010.0
OH/Si0.990.850.720.550.370.20
2. 結(jié)構(gòu)性的影響
白炭黑的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于炭黑, 呈球形, 單個(gè)粒子之間以面相接觸, 呈枝鏈狀聯(lián)結(jié), 此結(jié)構(gòu)稱(chēng)為“二次結(jié)構(gòu)”。鏈枝結(jié)構(gòu)又以氫鍵力相作用, 形成一團(tuán)團(tuán)的聚集體結(jié)構(gòu), 此結(jié)構(gòu)受到外力的破壞是可逆的, 其結(jié)構(gòu)性大小用吸油值來(lái)反映(吸油值系指1克白炭黑吸附鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)的毫升數(shù))。吸油值越大, 結(jié)構(gòu)性越高。結(jié)構(gòu)越大, 表明白炭黑呈聚集狀態(tài)的枝鏈結(jié)構(gòu)越多, 對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)效果也好。但吸油值高的沉淀法白炭黑在膠料中混煉時(shí)要破環(huán)這種枝鏈結(jié)構(gòu)就須消耗更多的功和能,使其在橡膠中分散均勻, 這顯然須延長(zhǎng)膠料混煉時(shí)間。白炭黑吸油值為2.0-3.5cm3/g均能滿(mǎn)足輪胎要求。
沉淀法白炭黑的比表面積也是反映產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性的重要指標(biāo)。盡管現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)考慮到各生產(chǎn)廠的測(cè)試條件未對(duì)比表面積這一指標(biāo)作出具體規(guī)定, 只是依據(jù)數(shù)值高低劃分成A、B、C、D、E、F 六大類(lèi)。從歷年的全國(guó)橡膠用沉淀法水合二氧化硅(白炭黑)質(zhì)量普查表明，其膠料綜合物性以B類(lèi)(161-190m2/g)白炭黑為最佳, 不過(guò)只考慮“補(bǔ)強(qiáng)”，則比表面積更高的A類(lèi)(≥190m2/g )更好。但是, 在生產(chǎn)使用實(shí)踐中也常常碰到高比表面積的自炭黑其膠料物理性能卻很差, 這是白炭黑生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了許多硅凝膠所致。
沉淀法白炭黑的比表面積對(duì)膠料物性的影響, 從機(jī)理上講, 比表面積大, 就能讓膠料及促進(jìn)劑等獲得更好的滲透機(jī)會(huì), 從而進(jìn)行一系列理化反應(yīng), 獲得較好的透明性和物理性能。但比表面積大的白炭黑又有極大的吸附率和高活性, 能吸附較多的促進(jìn)劑, 加快促進(jìn)劑的分解, 因此對(duì)膠料硫化有較強(qiáng)烈的遲延作用, 由此需適當(dāng)增加促進(jìn)劑用量來(lái)提高硫化速度。實(shí)際生產(chǎn)中還常用增加活性劑來(lái)減少白炭黑表面層上一OH基對(duì)促進(jìn)劑分子強(qiáng)烈的吸附作用。另外, 比表面積過(guò)大的沉淀法白炭黑在膠料加工過(guò)程中生熱高, 膠料易發(fā)粘。
3. 表面性質(zhì)的影響
（1）水份
沉淀法白炭黑的水份包括：游離水和結(jié)合水。白炭黑表面的游離水在受熱情況下易除去。游離水太少, 說(shuō)明白炭黑表面輕基不多,降低了白炭黑的活性, 混煉時(shí)促使白炭黑聚集, 很難分布在膠料內(nèi)。表面水少, 不但使硫化速度受到影響, 補(bǔ)強(qiáng)效果也相應(yīng)降低。游離水稍高, 混煉膠操作性能好, 吃粉速度快粉塵飛揚(yáng)少, 包輥性也好, 硫化速度略快。但含水量過(guò)高, 生熱大, 易焦燒、結(jié)團(tuán), 分散不均, 硫化膠表面易起氣泡, 物理機(jī)械性能也相應(yīng)下降。一般， 表面水在6一8%能對(duì)白炭黑分子起最好的隔離作用, 從而防止顆粒的再次聚集，混煉時(shí)能均勻分布在膠料內(nèi)，利于性能改進(jìn)，加快硫化速度。結(jié)合水是白炭黑“ 內(nèi)部”的，比較穩(wěn)定，高于400℃才能脫去。一般含量在4.0-7.0%。若結(jié)合水過(guò)多, 說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中生成的凝膠含量高, 干燥后的成品活性就小, 對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用也小。而結(jié)合水過(guò)少, 說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中脫水過(guò)重, 砂化傾向大, 同樣對(duì)補(bǔ)強(qiáng)不利。
（2）PH值
白炭黑的酸堿性對(duì)膠料的硫化影響較大, 酸性白炭黑遲延膠料硫化, 堿性則促進(jìn)硫化, 但堿性過(guò)高對(duì)補(bǔ)強(qiáng)不利。PH呈微酸性的白炭黑, 對(duì)膠料及制品的抗張, 耐磨等有利,所以橡膠用沉淀法白炭黑PH值一般為6一8, 接近中性。
（3）表面改性處理
白炭黑的表面改性處理是指在白炭黑中添加偶聯(lián)劑以達(dá)到其疏水性的目的。加入偶聯(lián)劑后, 偶聯(lián)劑一端的CH3O一(甲氧基)易同白炭黑表面層上的硅醇基反應(yīng), 另一端與像膠分子反應(yīng), 也即偶聯(lián)劑在白炭黑與橡膠之間“ 架橋”作用。白炭黑表面改性處理途徑很多, 目前最通用的是用硅烷偶聯(lián)劑(如Si一69)進(jìn)行處理。
（4）雜質(zhì)的影響
沉淀法白炭黑在制備過(guò)程中容易帶入Cu、Fe、Mn等雜質(zhì), 這些微量雜質(zhì)盡管對(duì)膠料物性影響不大, 但為了使橡膠制品具有優(yōu)良的抗氧化和耐老化性能, 仍要求Cu、Fe、Mn含量降到一定的限度。對(duì)此,GB10517對(duì)沉淀法白炭黑規(guī)定: Cu≤30 mg/kg，Mn ≤50 mg/kg，F(xiàn)e≤1000 mg/kg。
沉淀法白炭黑生產(chǎn)中的鈉鹽是生產(chǎn)中難以避免的, 但鈉含量過(guò)高不宜作天然或合成橡膠的補(bǔ)強(qiáng)填料, 而且膠料透明性明顯不好。不過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中控制好反應(yīng)合成工序, 防止包裹過(guò)多Na+ 的凝膠生成以及加強(qiáng)半成品漿料的漂洗, 鈉鹽含量可下降到0.5 % 以下,這樣的沉淀法白炭黑對(duì)膠料性能無(wú)甚影響,
結(jié)論
1.沉淀法白炭黑的理化指標(biāo)直接影響橡膠膠料的各種性質(zhì), 補(bǔ)強(qiáng)性取決于它的粒徑、結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)和雜質(zhì)種類(lèi)與含量。
2. G B 10517 橡膠用沉淀水合二氧化硅(白炭黑)技術(shù)條件中不作出具體規(guī)定的比表面積、粒徑指標(biāo)影響膠料物性作用顯著, 生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格穩(wěn)定生產(chǎn)操作并逐漸改善測(cè)控手段。
3.沉淀法白炭黑生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)特別注意“防凝膠化”, 只有“凝膠” 成份極低的白炭黑才能有好的活性和滿(mǎn)意的理化指標(biāo)。
