白炭黑在橡胶工业中的作用

* 来源: * 作者: XMSQ * 发表时间: 2025-03-21 21:18:00 * 浏览: 84

在橡胶工业及众多材料科学领域，有一种名为白炭黑的物质扮演着重要角色。1912 年，炭黑对橡胶的补强作用被发现，尤其是能显著提高轮胎的耐磨性能，此后炭黑需求量大增，成为橡胶工业不可或缺的材料。在第一次世界大战期间，由于生产炭黑的能源材料紧缺，德国开始使用沉淀法生产的白色二氧化硅替代炭黑。

这种白色的无定型二氧化硅在物性及用途方面与炭黑相似，因此得名白炭黑（White Carbon Black）。随着时代发展，汽车及其运输业的高速发展、炭黑生产用原料的涨价和节能减排的要求，使得白炭黑在橡胶行业补强材料中的地位日益凸显。

如今，白炭黑用于彩色橡胶制品可完全替代炭黑进行补强，满足白色或半透明产品的需要，特别是在轿车 “绿色轮胎” 及冬季轮胎的制造中表现卓越，它能使轮胎获得更低的滚动阻力和更好的抓地力，从而提高汽车燃油效率。

白炭黑的制备方法多种多样，主要分为沉淀法和气相法。

沉淀法白炭黑普遍采用硅酸盐（通常为硅酸钠）与无机酸（通常使用硫酸）中和沉淀反应的方法来制取水合二氧化硅。其粒径约为 20 - 40nm，纯度较低，补强性比气相法差，胶料的介电性能特别是受潮后的介电性能也较差，但价格便宜，工艺性能好。

它可单独用于 NR、SBR 等通用橡胶中，也能与炭黑并用，以改善胶料的抗屈挠龟裂性，使裂口增长减慢。气相法白炭黑则是以多卤化硅（SiClx）为原料在高温下热分解，进行气相反应制得，又称为煅烧法或干法白炭黑。

干法白炭黑粒径极小，约为 15 - 25nm，飞扬性极大，杂质少，补强性好，不过制备复杂且成本高，主要用于硅橡胶中，所得产品为透明、半透明状，物理机械性能和介电性能良好，耐水性优越。

除了这两种主要方法外，还有其他制备途径。比如非金属矿法，它是以含二氧化硅或硅酸盐的非金属矿物（如硅灰石、高岭土、蛋白石、硅藻土、煤矸石、云母、蛇纹石等）为硅源。

其中直接法是以自然界中天然的非晶态二氧化硅矿物为原料，如硅藻土、蛋白石等，经简单的物理化学技术处理而直接加以利用；酸浸法是利用盐酸、硫酸等溶解非金属矿物中的金属阳离子，如 Fe、Al、Ca、Mg 等，使其进入溶液，剩下含 Si - O 的溶浸残渣，从而制备白炭黑。

水玻璃法是利用硅酸盐矿物和 NaOH 容易反应的特点，先制备中间产物水玻璃，然后酸化制取白炭黑；氟化法是利用二氧化硅与氟化铵反应，生成氟化硅酸铵，然后在过量氨水作用下，氟硅酸铵分解为氟化铵与二氧化硅沉淀（即白炭黑），且 NH?和 NH?F 在系统中可循环使用。

禾本科植物法也是一种选择，像水稻等，其干稻壳灰中二氧化硅含量可达 60% - 90%，而矿物杂质含量极微，是生产白炭黑的理想原料。具体方法包括焙烧酸化法、间接碱熔法、纯碱提浸法等。

焙烧酸化法是将稻壳等经稀盐酸浸、蒸馏水清洗、干燥后在马弗炉中焙烧、研磨得到白炭黑成品，该方法不需生成水玻璃等中间产品，节约酸碱原料，生产成本低、工艺简单、产品中有害杂质含量少，但关键是要控制好焙烧温度；间接碱熔法是将稻壳等禾本科植物炭化后碱煮，生成水玻璃溶液，然后进行酸化中和反应，过滤、洗涤、干燥得到白炭黑产品，所得产品杂质含量低、质量较好，但炭化温度控制不当易影响产品性能；纯碱提浸法是利用碳酸钠水溶液提取稻壳灰中的二氧化硅来制备白炭黑产品，碳酸钠溶液与稻壳灰在常压条件下溶煮、过滤，滤液在冷却过程中由于溶液过饱和而沉淀析出水合二氧化硅。

从结构上看，白炭黑约 95 - 99% 的成分是 SiO2。

不同制备方法得到的白炭黑结构有所不同。气相法白炭黑内部结构几乎完全是排列紧密的硅酸三维网状结构，这种结构使得粒子吸湿性小，表面吸附性强，补强作用强。而沉淀法白炭黑的结构内除了生成三维结构的硅酸外，还残存有较多的二维结构硅酸，致使结构疏松，有很多毛细管结构，很易吸湿，从而降低了它的补强活性。

白炭黑的基本粒子呈球形，在生产过程中，这些基本粒子在高温状态下相互碰撞而形成了以化学键相连结的链枝状结构（基本聚集体），链枝状结构彼此以氢键吸附又形成了次级聚集体结构，这种聚集体在加工混炼时易被破坏。

白炭黑的表面化学性质十分独特。

其表面存在相邻羟基、隔离羟基、双羟基等基团。气相法白炭黑的表面羟基比沉淀法的要多，在升高温度时不易脱除。这些表面基团具有一定的反应性，包括失水及水解反应、与酰氯反应、与活泼氢反应、形成氢键等。白炭黑表面有很强的化学吸附活性，这与表面羟基有关。

它可以和水以氢键形式结合，形成多分子吸附层，除此之外，还可与许多有机小分子物质发生吸附作用。多官能团的胺类或醇类的吸附性高于单官能团的，所以在 SiO?胶料中常用乙醇胺、乙二醇、三乙醇胺等多官能团化合物做活性剂。当加热白炭黑时，会有水分放出，在 150 - 200℃之前，放出水最多，200℃以后趋向平缓，有明显的转折点，折点以前主要是吸附水脱附，折点后是表面羟基缩水反应。

在对胶料工艺性能和硫化胶性能的影响方面，白炭黑由于比表面积很大，总趋向于二次聚集，加之在空气中极易吸收水分，致使羟基间易产生很强的氢键缔合，进一步提高了颗粒间的凝聚力，所以其混炼与分散要比炭黑困难得多，而且在多量配合时，还容易生成凝胶，使胶料硬化，混炼时生热大。

为获得良好的分散，要求初始混炼时保持尽可能高的剪切力，白炭黑应分批少量加入，适当提高混炼温度，有利于除掉一部分白炭黑表面吸附水分，降低粒子间的凝聚力，有助于其在胶料中的分散。白炭黑，特别是气相法白炭黑是硅橡胶最好的补强剂，但存在 “结构化效应”，会使混炼胶硬化。

防止结构化有两个途径，一是混炼时加入某些可以与白炭黑表面羟基发生反应的物质，如羟基硅油、二苯基硅二醇、硅氮烷等；另一途径是预先将白炭黑表面改性，先去掉部分表面羟基。

白炭黑生成凝胶的能力与炭黑不相上下，因此在混炼白炭黑时，胶料的门尼粘度提高，恶化加工性能，故在含白炭黑的胶料配方中软化剂的选择和用量很重要。白炭黑粒子表面有大量的微孔，对硫化促进剂有较强的吸附作用，因此明显地迟延硫化。为了避免这种现象，可适当提高促进剂的用量或采用活性剂。

白炭黑对各种橡胶都有十分显著的补强作用，其中对硅橡胶的补强效果尤为突出。

白炭黑是一种补强效果仅次于相应炉法炭黑的白色补强剂。含一定量白炭黑的硫化胶与相应炉法炭黑（如 HAF）补强的硫化胶相比，具有强度高、伸长率大，撕裂强度高、硬度高、绝缘性好等优点。

通常将炭黑和白炭黑并用，可以获得较好的综合性能。不过，白炭黑目前在加工性能、静电问题、价格等方面还存在一些问题，其发展方向是向高分散性、精细化、造粒化和表面改性化等方面发展，通过这些改进来更好地发挥其在材料领域的作用。

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