炭黑是一種無(wú)定形碳，其結構類(lèi)似于無(wú)序石墨，是芳烴在高溫下不完全燃燒形成。芳烴分子在高溫下通過(guò)碳-氫鍵斷裂而解離，碳原子與芳族自由基可反應形成層狀六邊形碳環(huán)結構，這些碳環(huán)傾向于堆疊成3~4層的晶體結構，層面邊緣主要由氫、自由基以及含氧官能團組成。碳環(huán)結構表面的酚羥基、羧基、內酯基、酸酐基和醌基等含氧官能團含量少，但會(huì )直接影響炭黑的表面化學(xué)性質(zhì)，這些含氧官能團具有良好的化學(xué)反應性，為炭黑的表面改性提供可能。
　　
　　炭黑在橡膠基體中的分散性是影響其補強的關(guān)鍵因素之一，若炭黑在橡膠中實(shí)現良好分散，需炭黑與橡膠達到熱力學(xué)相容，從而要求炭黑與橡膠的表面能盡可能相等。但炭黑的表面能高于橡膠，因此需對炭黑表面進(jìn)行物理和化學(xué)改性，以降低炭黑的表面能。
　　
　　1、等離子體聚合改性
　　
　　等離子體聚合是一種發(fā)展迅速的對聚合物、金屬和粉體等表面改性的技術(shù)。在炭黑表面改性領(lǐng)域，改性技術(shù)主要表現為在炭黑表面沉積一層薄膜和炭黑在不同等離子體中的表面功能化。T.MATHEW等以乙炔等離子體處理富勒烯炭黑，炭黑的表面能從70mJ/m2下降至50mJ/m2，因此改性后炭黑/橡膠復合材料表現出更低的Payne效應。S.J.PARK等采用氧等離子體對炭黑進(jìn)行表面改性，能夠使炭黑表面的羰基、酯基和羧基等含氧官能團濃度提高，氧/碳元素含量比（O1S/C1S）增加，表面能從42mJ/m2降至19mJ/m2，因此顯著(zhù)改善炭黑在橡膠中分散，提高炭黑/橡膠復合材料的撕裂強度和拉伸強度。
　　
　　2、接枝聚合改性
　　
　　在炭黑表面接枝聚合物或官能團也可降低炭黑的表面能，進(jìn)而改善炭黑在橡膠中分散，提高炭黑補強效應。付文等利用濃硝酸對炭黑氧化改性，然后異氰酸酯化處理，最后與聚乙二醇400發(fā)生化學(xué)反應，即采用原位液相接枝技術(shù)成功將聚乙二醇接枝在炭黑表面。F.CATALDO利用三氧化二氮、一氧化氮和四氧化二氮在炭黑表面引入硝基、亞硝基等。賈德民等利用甲基丙烯酸在炭黑的表面引入雙鍵。以上方法均促進(jìn)炭黑在橡膠中分散，炭黑/橡膠復合材料的耐磨性能提高，滾動(dòng)阻力和動(dòng)態(tài)生熱降低。
　　
　　3、電子輻照改性
　　
　　電子輻照技術(shù)是采用高能電子束照射材料，改善材料性能的技術(shù)。Y.P.WU等采用高能電子束輻照炭黑粒子，能夠使炭黑的大顆粒數量減少，小顆粒炭黑數量增加，從而使炭黑顆粒尺寸趨向均勻，且能夠增加含氧官能團的數量。該方法降低炭黑的表面能，促進(jìn)炭黑在橡膠中分散，炭黑/橡膠復合材料的結合膠含量、抗濕滑性能和耐磨性能提高，滾動(dòng)阻力降低。
　　
　　4、偶聯(lián)劑改性
　　
　　偶聯(lián)劑一種分子中同時(shí)含有兩種性質(zhì)官能團的化合物，其分子的一端能夠與無(wú)機物反應，另一端能夠與有機物結合，通過(guò)偶聯(lián)劑在填料與橡膠之間構建“橋梁”，可促進(jìn)填料分散。P.RAUT等開(kāi)發(fā)一種新型偶聯(lián)劑聚-丁二烯接枝五氟苯乙烯，其分子中的聚丁二烯單元能夠與橡膠基體發(fā)生交聯(lián)反應，五氟苯乙烯單元由于缺電子特性能夠與富電子的炭黑產(chǎn)生π-π相互作用，從而改善炭黑在橡膠基體中分散。
　　
　　J.J.HAN等發(fā)現乙烯基吡啶（VP）的吡啶官能團可與炭黑表面的酸性官能團如羧基、羥基等反應形成離子鍵和氫鍵，從而增強炭黑與橡膠之間的相互作用，降低炭黑的網(wǎng)絡(luò )結構和炭黑/橡膠復合材料的滯后損失。劉權等和孫阿斌等研究表明常規硅烷偶聯(lián)劑如γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）和乙烯基三乙氧基硅烷（VTEO）能夠與炭黑表面的官能團發(fā)生化學(xué)反應，具有調節炭黑/橡膠復合材料的磨耗與生熱矛盾的潛力。
　　
　　資料來(lái)源：《富有斌,吳曉輝,張立群,等.炭黑在橡膠中分散技術(shù)的研究進(jìn)展[J].橡膠工業(yè): 2022》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉載請注明出處！