橡胶炭黑的主要技术参数及对下游产品的影响

1. 什么是橡胶炭黑

1.1概念：

橡胶炭黑即橡胶用炭黑，它并不是一个严格意义上的概念，而只是主要用在橡胶制品中，具有一些可以统计的、标准化的特性的一类炭黑产品，是一个相对特种炭黑（用于油墨、涂料等）而言的概念。但并非说橡胶炭黑就只能用在橡胶制品上，实际上很多塑料制品等产品中，也利用橡胶炭黑着色性能进行产品加工。

橡胶炭黑主要用在轮胎、混炼胶、硅酮胶及其他橡胶制品中。

轮胎生产线

1.2橡胶用炭黑类型划分：

橡胶用炭黑型号命名系统由四个字符组成。 第一个字符是拉丁字母“Ｎ”或“Ｓ”，表示炭黑在标准胶料中对硫化速度的影响。字母“Ｎ”表示炉法
炭黑典型的正常硫化速度，炭黑未经过改变胶料硫化速度的特殊处理。字母“Ｓ”表示缓慢硫化速度，用
于混气炭黑或已经过降低胶料硫化速度的改性处理的炉法炭黑。
注：“Ｎ”与“Ｓ”类炭黑之间，可能有显著的硫化速度变化。
第二个字符是阿拉伯数字，表示用氮吸附法测定的炭黑平均表面积。炭黑表面积被分成１０个范
围，即１０个组，每组指定了一个代表数字，如下图。

1.3橡胶炭黑主要特性：

GB/T3778-2011国标中规定了各型号对应的吸碘值、吸油值、压缩吸油值、着色强度、CTAB吸附比表面积、STSA外表面积、NSA总表面积、加热减量、倾注密度、300%定伸应力、灰份、筛余物和细分含量等炭黑品种特性指标。国标中所列的特性指标对应的特性便是炭黑最主要的特性，这些指标也是炭黑最重要的技术参数。

N110、N220、N330、N326、N550等所有产品都有明确的相应特性指标，比如用途最广泛的N330，国标要求吸碘值：82±6，吸油值：102±6，压缩吸油值82-94，着色强度：96-112，CTAB内表面积:73-85,STSA外表面积：69-81，加热减量≤2%等等。这个标准是2011版国标要求，新的2021国标，将在2022年5月1日执行，指标数值可能会有变化。

2. 各特性指标的意义

2.1橡胶炭黑作用概述

炭黑主要具有补强性、着色性和导电性三个主要作用。橡胶炭黑用在橡胶制品中，主要利用其补强作用，这种补强作用具体体现在增加橡胶制品的抗撕裂程度、耐屈挠性、耐磨性等方面。在使用中，从考察使用的便利性、副作用和效率等方面来看，又要关注其在使用中的分散性、生热性等。通常来看，炭黑补强性越好、分散性越好、生热越低，说明炭黑性能越好。但现实应用中，不同性能是存在明显的“不可能三角”现象的，即：同一个型号的炭黑产品不可能同时具备既补强性强、又分散性好还生热低。一般来讲，粒径小会使得下游产品的补强性高，使用中的分散性会比较好，但生热会高；而炭黑粒径相对大一点的补强性会弱一点，但其生热会低，弹性会更优。

2.2各特性指标介绍

2.2.1炭黑的粒径：表示炭黑粒子的大小。除热裂解炭黑外，几乎所有炭黑的球形粒子都不是单独存在的，而是在炭黑生成过程中聚融在一起形成炭黑聚集体的一个区域。聚集体是炭黑单独存在的最小单元。但尽管如此，炭黑粒子大小与分布仍然是炭黑的重要基本性能之一。粒径直接影响炭黑的其他性能和使用性能。

吸碘值是指每克炭黑吸收的碘量（毫克）数值，通常粒径越小单位每克吸收的碘量数值越高。

炭黑的粒径在使用中对下游产品的补强性能、着色力、分散性、生热性等都有重要影响。通常，粒径越小，补强性能越强，在一定范围内，着色力和分散性也越好。

2.2.2炭黑的结构

炭黑并非以单独的原子状态存在，而是以一种聚集体的形态存在。炭黑的结构是指以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的这种结构。目前常用吸油值表示结构性，吸油值越大，炭黑结构性越高，容易形成空间网络通道，而且不易破坏。吸油值法是基于测定充满炭黑链枝结构的空隙及表面浸润所需的最低邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的量，称之为DBP吸收值或吸油值（ONA）。

炭黑的结构又分为一次结构和二次结构，一次结构是指炭黑粒子间原出的聚集体状态，二次结构是不同粒子聚集体间二次聚集的结构，一次结构稳定，二次结构不稳定。通过压缩方式，可以破坏掉二次结构，从而测得稳定的一次结构情况。

炭黑的高低结构

2.2.3炭黑的比表面积

炭黑的比表面积是指单位质量或单位体积内炭黑粒子表面积的总和，单位为m2/g或103m2/kg。比表面积与粒径一样是炭黑的基本性能之一，由于其测试方法比较方便，以取代粒径成为炭黑分类的依据。对表面光滑的炭黑来说，比表面积与粒径成反比，即粒径越小比表面积越大，反之亦然。

比表面积分为内比表面积、外比表面积和总表面积。外表面积是指炭黑粒子孔隙之外的表面积，内表面积是指炭黑粒子孔隙内的表面积，内、外表面积之和就是总表面积。

分别用CTAB法和STSA法测定炭黑的内外表面积。

2.2各特性指标的具体意义

从表中也能看出，国标中要求的全部特性指标都是衡量炭黑物理方面的特征的。炭黑在橡胶制品以及其他下游相关制品中的使用，既要看炭黑的物理性质，又要看其化学性质，还要看具体的在下游产品中使用的工艺。同样物理化学特性的炭黑用在不同下游产品中表现会有不同，用在同样下游产品中，不同的工艺也会有不同。炭黑的化学性质主要由其表面官能团决定，炭黑表面官能团多、挥发物量高，ph值低时会降低炭黑的导电率、提高其润湿性，加强炭黑的吸水性。另外，PH值的高低影响炭黑在橡胶制品加工中的焦化速度，PH值低，胶料焦化过程中速度会相对较慢，影响产品生产效率；PH高，胶料焦化速度太快的话，可能生产速度跟不上。

另外，粒径、结构和孔隙等特性都是互相关联的，比较两个炭黑产品的结构高低，要同等粒径的前提下相比较才有意义，通常粒径越小，可能其结构会越高。在相同结构程度的情况下，比表面积大的炭黑说明其孔隙体积大，因而具有较高的吸油值，换言之，只有在比表面积相同时，吸油值才能客观的反映炭黑的结构性。吸油值影响混炼胶的加工性能，影响硅化胶的物理性能导电性。

2.3各技术参数对下游产品的影响

吸碘值、吸油值和比表面积分别度量炭黑的粒径、结构和孔隙物理特性，这也是炭黑所有物理特性中，最关键的三个，其对下游产品的影响总结如下：

2.3.1炭黑原生粒径小、（孔隙体积大）比表面积大时的影响

(1)可以加强炭黑的黑度

(2)可以提高炭黑的着色力

(3)可以增强炭黑抗紫外线的能力

(4)可以提高炭黑的电导率

(5)能提高塑料的粘度

(6)降低炭黑的分散性

(7)提高炭黑和塑料的吸水量

2.3.2炭黑吸油值高（结构高）的影响

(1)会使炭黑的黑度和着色力降低

(2)可以提高炭黑的分散性

(3)可以加强塑料的粘度

(4)可以提高炭黑的电导率

(5)在导电炭黑的使用中，减少炭黑的使用量。