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摘 要：研究炭黑和二氧化硅填充对天然橡胶性能的影响，结果表明：炭黑填充胶料的硫化时间随着填料量的增加而下降，二氧化硅则相反；随着填料量的增加，胶料的最小和最大转矩增加，焦烧时间减少.胶料拉伸强度最佳值出现在填料量为15phr的时候，相对于二氧化硅，炭黑更加适合填充胶料。
关键词：炭黑 二氧化硅 硫化特性 机械性能
中图分类号：TQ330.7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-091-02
我们知道炭黑和二氧化硅是橡胶制品的重要补强剂。炭黑的补强机理一般采用的是橡胶大分子滑动学说，模型及补强如图1所示。由于炭黑粒子表面活性不均一，有少数强的活性点以及能量不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以有各种不同的结合能量，有多数弱的范德华力的吸附以及少量强的化学吸附，吸附的橡胶链段在应力作用下会滑动伸长。所以炭黑在制备和应用过程中存在一系列的负面问题。而二氧化硅填充在轮胎的面胶中，可以降低轮胎的滚动阻力，保持较好的抗冰滑性、抗湿滑性，因此应用比较广泛。但是，填料填充天然橡胶时用量的多少会影响胶料的性能，因此本文的目的是研究炭黑填充天然橡胶的硫化特性和机械性能，并且和二氧化硅进行了对比。
1 炭黑和二氧化硅填充对天然橡胶加工性能的影响
炭黑和二氧化硅的用量分别取15、30、50phr，其中Phr（parts per hundreds of rubber）是表示对每100 份（以质量计）橡胶添加的份数。在表1中我们看到：
当炭黑作为填料的时候：（1）胶料的硫化时间随着填料量的增加而减少；（2）胶料的焦烧时间随着填料量的增加而减少；（3）胶料的最小和最大转矩随着填料量的增加而增加。
当二氧化硅作为填料的时候：（1）胶料的硫化时间随着填料量的增大而增大；（2）胶料的焦烧时间随着填料量的增大而减少而且效果显著；（3）胶料的最小的最大转矩随着填料量的增大而增大。
由以上的结果分析可能造成的原因有：二氧化硅填充在断键的时候需要更多能量并且其可以形成强而稳定的网络，这种结构在形变压力解除后将阻碍胶料形变的回复，所以硫化时间长；另外由于聚合物填料之间的相互作用以及填料之间相互作用的影响导致了最小和最大扭矩值的增大。
2 炭黑和二氧化硅填充对天然橡胶机械性能的影响
本文主要研究填料对胶料拉伸强度和剪切强度的影响。拉伸强度是指材料产生最大均匀塑性变形的应力；剪切强度是指材料承受剪切力的能力，填料是影响天然橡胶胶料拉伸强度的重要因素之一，填料的粒径越小、比表面积越大，表面活性越大，填充使得天然橡胶的性能就会越好。在图2、图3中我们看到：胶料的拉伸强度值都是出现填料量为15phr的时候，之后随着填料量的增大胶料的拉伸强度值减小，二氧化硅表现的更为显著；胶料的剪切强度值随着填料量的增大而增大，分析引起上述情况的原因是：聚合物和填料之间相互作用的降低导致了填料拉伸强度值的下降，而且在二氧化硅的表面还存在着大量的硅醇基，表面能和极性较大，而绝大多数橡胶是非极性的这就使得二氧化硅在橡胶中难以湿润和分散，二氧化硅聚集体有附聚成聚集体的趋势，形成二氧化硅填料网络，从而影响到橡胶的性能。所以一般我们需要对二氧化硅进行化学改性，例如加入硅烷偶联剂，用来改善二氧化硅在胶料中的分散性。
3 结束语
从以上的分析中我们可以看到炭黑和二氧化硅的填充对天然橡胶的加工性能和机械性能的影响，这样，当选择填充天然橡胶的填充料以及填料用量多少的时候给我们提供了依据。就目前填充料的前景来说，虽然炭黑一直占据着主导地位，但是由于炭黑自身的一些原因以及其他方面的一些原因，我们一直在选择炭黑的替代品；而同样作为填充料的二氧化硅在一些性能方面有超越炭黑的优势，但是二氧化硅也有自身性能的限制，例如二氧化硅的表面存在大量硅醇基，会影响到橡胶的性能，这样我们在利用二氧化硅填充天然橡胶的时候为了得到我们需求性能的天然橡胶的时候就需要考虑对二氧化硅的表面进行化学改性，加入硅烷偶联剂等。总归来说，研究炭黑和二氧化硅填充对天然橡胶的加工性能和机械性能的影响为我们得到更好地性能优良的橡胶制品是有很大益处的。
参考文献：
[1] 陈翔，赵菲.炭黑、白炭黑与橡胶的相互作用及其对橡胶性能的影响[D].青岛科技大学，2011：17-58.
[2] 郭海军，陈福林.改性剂对白炭黑填充NBR胶料性能的影响[J].橡胶工业，2008，55（12）：740-742.
[3] 吴荣懿，施利毅，朱惟德，等.偶联剂/白炭黑对天然橡胶硫化和力学性能的影响[J].上海大学学报（自然科学版），2010，16（4）：424-428.
[4] H.Ismail，R.Nordin1，A.Noor.The Effect of Filler Loading on Curing and Mechanical Properties Of Natural Rubber/recycled Rubber Powder Blends[J].International Journal of Polymeric Materials，2005，54（1）：11-15.
关键词：炭黑 二氧化硅 硫化特性 机械性能
中图分类号：TQ330.7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-091-02
我们知道炭黑和二氧化硅是橡胶制品的重要补强剂。炭黑的补强机理一般采用的是橡胶大分子滑动学说，模型及补强如图1所示。由于炭黑粒子表面活性不均一，有少数强的活性点以及能量不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以有各种不同的结合能量，有多数弱的范德华力的吸附以及少量强的化学吸附，吸附的橡胶链段在应力作用下会滑动伸长。所以炭黑在制备和应用过程中存在一系列的负面问题。而二氧化硅填充在轮胎的面胶中，可以降低轮胎的滚动阻力，保持较好的抗冰滑性、抗湿滑性，因此应用比较广泛。但是，填料填充天然橡胶时用量的多少会影响胶料的性能，因此本文的目的是研究炭黑填充天然橡胶的硫化特性和机械性能，并且和二氧化硅进行了对比。
1 炭黑和二氧化硅填充对天然橡胶加工性能的影响
炭黑和二氧化硅的用量分别取15、30、50phr，其中Phr（parts per hundreds of rubber）是表示对每100 份（以质量计）橡胶添加的份数。在表1中我们看到：
当炭黑作为填料的时候：（1）胶料的硫化时间随着填料量的增加而减少；（2）胶料的焦烧时间随着填料量的增加而减少；（3）胶料的最小和最大转矩随着填料量的增加而增加。
当二氧化硅作为填料的时候：（1）胶料的硫化时间随着填料量的增大而增大；（2）胶料的焦烧时间随着填料量的增大而减少而且效果显著；（3）胶料的最小的最大转矩随着填料量的增大而增大。
由以上的结果分析可能造成的原因有：二氧化硅填充在断键的时候需要更多能量并且其可以形成强而稳定的网络，这种结构在形变压力解除后将阻碍胶料形变的回复，所以硫化时间长；另外由于聚合物填料之间的相互作用以及填料之间相互作用的影响导致了最小和最大扭矩值的增大。
2 炭黑和二氧化硅填充对天然橡胶机械性能的影响
本文主要研究填料对胶料拉伸强度和剪切强度的影响。拉伸强度是指材料产生最大均匀塑性变形的应力；剪切强度是指材料承受剪切力的能力，填料是影响天然橡胶胶料拉伸强度的重要因素之一，填料的粒径越小、比表面积越大，表面活性越大，填充使得天然橡胶的性能就会越好。在图2、图3中我们看到：胶料的拉伸强度值都是出现填料量为15phr的时候，之后随着填料量的增大胶料的拉伸强度值减小，二氧化硅表现的更为显著；胶料的剪切强度值随着填料量的增大而增大，分析引起上述情况的原因是：聚合物和填料之间相互作用的降低导致了填料拉伸强度值的下降，而且在二氧化硅的表面还存在着大量的硅醇基，表面能和极性较大，而绝大多数橡胶是非极性的这就使得二氧化硅在橡胶中难以湿润和分散，二氧化硅聚集体有附聚成聚集体的趋势，形成二氧化硅填料网络，从而影响到橡胶的性能。所以一般我们需要对二氧化硅进行化学改性，例如加入硅烷偶联剂，用来改善二氧化硅在胶料中的分散性。
3 结束语
从以上的分析中我们可以看到炭黑和二氧化硅的填充对天然橡胶的加工性能和机械性能的影响，这样，当选择填充天然橡胶的填充料以及填料用量多少的时候给我们提供了依据。就目前填充料的前景来说，虽然炭黑一直占据着主导地位，但是由于炭黑自身的一些原因以及其他方面的一些原因，我们一直在选择炭黑的替代品；而同样作为填充料的二氧化硅在一些性能方面有超越炭黑的优势，但是二氧化硅也有自身性能的限制，例如二氧化硅的表面存在大量硅醇基，会影响到橡胶的性能，这样我们在利用二氧化硅填充天然橡胶的时候为了得到我们需求性能的天然橡胶的时候就需要考虑对二氧化硅的表面进行化学改性，加入硅烷偶联剂等。总归来说，研究炭黑和二氧化硅填充对天然橡胶的加工性能和机械性能的影响为我们得到更好地性能优良的橡胶制品是有很大益处的。
参考文献：
[1] 陈翔，赵菲.炭黑、白炭黑与橡胶的相互作用及其对橡胶性能的影响[D].青岛科技大学，2011：17-58.
[2] 郭海军，陈福林.改性剂对白炭黑填充NBR胶料性能的影响[J].橡胶工业，2008，55（12）：740-742.
[3] 吴荣懿，施利毅，朱惟德，等.偶联剂/白炭黑对天然橡胶硫化和力学性能的影响[J].上海大学学报（自然科学版），2010，16（4）：424-428.
[4] H.Ismail，R.Nordin1，A.Noor.The Effect of Filler Loading on Curing and Mechanical Properties Of Natural Rubber/recycled Rubber Powder Blends[J].International Journal of Polymeric Materials，2005，54（1）：11-15.