炭黑在輪胎橡膠中的作用機(jī)制
炭黑是一種無(wú)定形碳，具有極高的比表面積和豐富的表面化學(xué)活性。在輪胎橡膠中，炭黑主要通過(guò)物理吸附和化學(xué)鍵合的方式與橡膠分子相互作用。一方面，炭黑表面的微孔結(jié)構(gòu)能夠吸附橡膠分子鏈，形成物理交聯(lián)點(diǎn)，限制橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從而提高橡膠的強(qiáng)度和硬度;另一方面，炭黑表面的活性基團(tuán)與橡膠分子鏈發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)了橡膠的力學(xué)性能。這種雙重作用機(jī)制使得炭黑成為輪胎橡膠不可或缺的補(bǔ)強(qiáng)劑，顯著提升了輪胎的抗拉性、耐磨性等綜合性能。
不同炭黑用量占比對(duì)輪胎抗拉性的影響
(一)低用量占比階段
當(dāng)炭黑用量占比較低時(shí)，橡膠基體中炭黑顆粒分布相對(duì)稀疏，物理交聯(lián)點(diǎn)和化學(xué)鍵的數(shù)量有限。此時(shí)，橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)受到的阻礙較小，輪胎材料表現(xiàn)出較低的模量和強(qiáng)度。在拉伸過(guò)程中，橡膠分子鏈能夠相對(duì)自由地伸展和滑移，輪胎的抗拉性較弱。雖然低用量占比的炭黑在一定程度上能夠改善橡膠的加工性能，如降低黏度、提高流動(dòng)性，但無(wú)法滿足輪胎在實(shí)際使用中對(duì)高抗拉性的要求。
(二)中等用量占比階段
隨著炭黑用量占比的逐漸增加，橡膠基體中炭黑顆粒的分布密度增大，物理交聯(lián)點(diǎn)和化學(xué)鍵的數(shù)量顯著增多。炭黑與橡膠分子鏈之間的相互作用增強(qiáng)，有效地限制了橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使得輪胎材料的模量和強(qiáng)度大幅提高。在這一階段，輪胎的抗拉性隨著炭黑用量占比的增加而明顯改善。當(dāng)炭黑用量達(dá)到某一最佳范圍時(shí)，輪胎能夠在承受較大拉力時(shí)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不易發(fā)生斷裂，從而確保了輪胎在各種行駛條件下的安全性和可靠性。
(三)高用量占比階段
然而，當(dāng)炭黑用量占比超過(guò)一定限度后，情況開(kāi)始發(fā)生變化。過(guò)量的炭黑顆粒在橡膠基體中容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致炭黑與橡膠之間的界面結(jié)合力下降。部分炭黑顆粒無(wú)法充分發(fā)揮其補(bǔ)強(qiáng)作用，反而成為應(yīng)力集中點(diǎn)。在拉伸過(guò)程中，這些應(yīng)力集中點(diǎn)容易引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低輪胎的抗拉性。此外，高用量占比的炭黑還會(huì)使橡膠材料的硬度過(guò)高，彈性降低，影響輪胎的舒適性和抓地性能。
實(shí)驗(yàn)研究與分析
為了更準(zhǔn)確地探究炭黑用量占比對(duì)輪胎抗拉性的影響，相關(guān)研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選取了不同炭黑用量占比(如 10%、20%、30%、40%、50%)的輪胎橡膠樣品，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著炭黑用量占比從 10%增加到 30%，輪胎橡膠樣品的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中抗拉強(qiáng)度從 10MPa 提高到 25MPa，斷裂伸長(zhǎng)率從 300%增加到 450%。當(dāng)炭黑用量占比繼續(xù)增加到 40%和 50%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率開(kāi)始下降，抗拉強(qiáng)度分別降至 22MPa 和 18MPa，斷裂伸長(zhǎng)率分別降至 400%和 350%。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述理論分析相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了炭黑用量占比存在一個(gè)最佳范圍，能夠使輪胎獲得最佳的抗拉性能。
