轮胎用炭黑的分类

轮胎用炭黑

轮胎用炭黑新品种主要有低滚动阻力炭黑和高性能炭黑两类。

（1）低滚动阻力炭黑  降低轮胎滚动阻力，发展“绿色轮胎”是当今轮胎产品发展的必然趋势。

汽车给人类生活带来巨大的方便，而汽车大量耗油并产生大量废气也给人类带来巨大的污染。因此，在确保轮胎耐磨性和牵引性基础上使汽车能进一步节油的低滚动阻力轮胎，或称之为"绿色轮胎”、“环保型轮胎”迅速发展。欧盟和美国已将轮胎的滚动阻力列为轮胎使用质量分级和油耗限制的依据。我国也制定并开始执行汽车油耗限额的国家标准，因此降低轮胎滚动阻力势在必行。

影响汽车油耗的三大因素是车体的空气阻力、轮胎的滚动阻力和发动机动力传输的阻力，在时速为100km的情况下，轮胎滚动阻力是动力传输阻力的3倍，车体空气阻力的1/2，即轮胎滚动阻力占汽车行驶阻力1/3以上。实践表明：当轿车轮胎滚动阻力减少7.3%或载重汽车轮胎滚动阻力减少3.6%时，汽车燃料油消耗可下降约1%。

降低轮胎滚动阻力有如下途径：子午线轮胎的无内胎化和超扁平化；采用溶聚丁苯胶；采用高分散性白炭黑或低滚动阻力炭黑；轮胎的小型化和轻量化。

轮胎的滚动阻力来自于轮胎行驶时因滚动变形而产生的胶料滞后损失、轮胎和路面的摩擦和轮胎本身的空气阻力。除非路面特别不好或行驶速度过快，在正常情况下因滚动变形而产生的胶料滞后损失是影响轮胎滚动阻力的主要因素。

在降低轮胎滚动阻力的同时，必须兼顾轮胎的综合性能，使轮胎保持有良好的行驶安全性，即抗湿滑性、抗冰滑性或共称之为牵引性，还必须有较长的使用寿命，即耐磨性、抗刺扎和切割性等，其中耐磨性是决定使用寿命的主要因素。

橡胶是典型的黏弹性材料，当其处于交变应力、应变作用下要发生滞后现象和力学损耗，其动态模量由两部分组成，即弹性模量和损耗模量，损耗模量是用于克服黏滞阻力的，损耗模量和弹性模量之比称为损耗因子或损耗角正切或称“内耗”，损耗因子越大则胶料的生热性越大。

研究表明：当胎面胶料在-20～0℃时，内耗如较大（即低温滚动阻力较大）则抗湿滑性较好；而在50～70℃时，内耗如较小（即在轮胎行驶时的胎面温度下）则滚动阻力较小。

传统的胎面炭黑品种，粒径较小时，胶料的耐磨性和抗湿滑性较好，但胶料的滞后性也就是滚动阻力随之增加。粒径较大时，胶料弹性好、生热低，滚动阻力降低，但抗湿滑性和耐磨性则下降。

沉淀法水合二氧化硅具有和炭黑相近的补强性能，故亦称白炭黑。白炭黑能使胎面胶料的内耗和温度有较好的相关性，即温度较低时内耗较高，温度较高时内耗较低，同时还能赋予胶料较高的物理机械性能。但是由于白炭黑粒子之间的强相互作用，白炭黑很难分散，加以白炭黑胶料的门尼黏度大、定伸应力高、混炼加工比较困难。为此，直至Si69等含硫新型硅烷偶联剂出现后，法国的米其林公司才率先制成了滚动阻力低、综合性能较好、全用白炭黑的“绿色轮胎”，并曾与某些品牌的豪华型轿车配套。为解决白炭黑分散不好的问题，又出现了易加工的高分散性白炭黑。在胎面胶中单用硅烷偶联白炭黑轮胎的滚动阻力，比用传统炭黑品种可下降30%，抗湿滑性基本不变，但耐磨性下降约7%。然而由于白炭黑混炼加工过程仍较炭黑复杂、要用较昂贵的偶联剂、抗静电性能较差以及白炭黑本身价格高等问题，目前仍多采用白炭黑和炭黑并用的方式。据报道，在胎面胶配方中并用35份白炭黑和25份炭黑可使滚动阻力降低18%，而抗湿滑性和耐磨性仍能保持全用炭黑的水平。在胎面胶中采用白炭黑以西欧的厂商为主，2006年全球高分散性白炭黑用量约15万吨，并有继续增加的趋势。

为了适应低滚动阻力轮胎对炭黑的需求，也是为了和“白炭黑"竞争，国外几大炭黑厂商从提高炭黑结构、加宽炭黑聚集体分布和提高炭黑表面活性等人手，已开发出能适应不同用途不同规格型号轮胎的低滚动阻力炭黑系列，卡博特公司还开发出炭黑-白炭黑双相填料，或称为"双相炭黑"的品种系列。

低滚动阻力炭黑具体又可分为如下的几种类型。

①低滞后炭黑  低滞后炭黑品种的特征是粒径和聚集体分布较宽、着色强度较低、结构较高。这类炭黑胶料的滞后损失较低，可以降低轮胎的滚动阻力，但抗湿滑性和耐磨性稍差。

②超高结构炭黑  超高结构炭黑是DBP吸收值和压缩 DBP 吸收值分别为170cm³/100g和120cm³/100g的炭黑品种。超高结构炭黑拥有较多的链枝状聚集体，在这些聚集体内部及其相互之间，提供了相当大的、可容纳吸留橡胶和软化油的空隙，而且这种聚集体在胶料混炼加工过程中，基本不被破坏。因此，在炭黑链枝状结构内吸留的橡胶，部分地被屏蔽而不受变形的影响，加之有聚合物和炭黑之间的强相互作用而被固定住，因而如同炭黑的一个组成部分，使胶料如同含有比实际高得多的炭黑填充量，其最终结果是使胶料模量提高。因此，在轮胎胶料中与常规品种炭黑相比，超高结构炭黑可以在较低填充量水平下产生最佳的补强性能。从而可以在降低滚动阻力的同时，保持较好的耐磨性。超高结构炭黑的另一个特征是聚集体分布相对较宽，使小的聚集体嵌人大的聚集体之间，产生更有效的填充密度，有助于降低滞后损失，即滚动阻力。

研究开发较早的低滞后炭黑和超高结构炭黑可以降低轮胎的滚动阻力，并已在轮胎中推广应用，但其耐磨性和综合性能尚不理想，因此又研究开发了新一代的品种即反向炭黑和双相炭黑。

③反向炭黑  反向炭黑（inversion black）是德固赛公司开发的新品种，之所以称为反向炭黑，系因填充这种炭黑的胶料，在其温度与损耗因子（内耗）的关系曲线中，内耗=0和内耗=60的性能与常规ASTM炭黑品种的走向相反。这种炭黑的微晶排列不规则，呈现出明显的乱层构造，具有较多的微晶棱边和缺陷，即具有高表面能的活性点。原子力显微镜的观测表明，其表面有尺度为1～2nm的粗糙度。因此，这种炭黑又被称为纳米结构炭黑。这种炭黑的表面可与聚合物产生较强的相互作用。炭黑填充硫化胶在外力的作用下，聚合物分子会沿着炭黑表面产生滑移现象。这种滑移是导致胶料出现滞后作用的主要原因。基于这种炭黑表面和聚合物的强相互作用，这种滑移现象得到抑制，从而降低了胶料的滞后损失，并保持较好的耐磨性和综合性能。

④双相炭黑双相炭黑是在炭黑生产过程中添加有机硅化物，使炭黑微晶中镶嵌有硅原子。这些硅原子干扰了炭黑微晶的生长、增加了微晶的缺陷，从而改变了粒子的表面化学性质。

双相炭黑的硅含量在3.5%~6.0%之间，白炭黑分散在炭黑连续相中。该产品可以提高橡胶与填料之间的相互作用，降低填料和填料之间的相互作用，从而使胶料在降低滚动阻力的同时，改善了胶料的牵引性能，并具有较好的综合性能。

（2）高性能炭黑  高性能炭黑适用于高性能轮胎和赛车轮胎的胎面胶。高性能轮胎包括超高里程子午线轮胎、高速度级的子午线轮胎和赛车轮胎，它们都要求具有高强度、高耐磨性和最佳的操纵性能和干路面抓着力。高速度级的子午线轮胎通常是指允许最高行驶速度在S级以上的轮胎，如H级（210km/h）、V级（240km/h）和ZR级（240km/h以上）的低断面乘用车胎。高性能炭黑品种的粒径比N110还小，其典型值为：氮吸附表面积172m²/g，吸碘值180mg/g，吸油值138mL/100g。赛车轮胎用的高性能炭黑，粒径更小、结构更高，其典型值为：氮表面积190m²/g，吸碘值200mg/g，吸油值150mL/100g。只有这样，才有利于在极端苛刻的行驶条件下，保持轮胎的操纵性能和力学的稳定性能。