炭黑在輪胎橡膠中的作用機制

炭黑是一種無定形碳，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，限制橡膠分子鏈的運動，從而提高橡膠的強度和硬度;另一方面，炭黑表面的活性基團與橡膠分子鏈發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，進一步增強了橡膠的力學(xué)性能。這種雙重作用機制使得炭黑成為輪胎橡膠不可或缺的補強劑，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，橡膠基體中炭黑顆粒分布相對稀疏，物理交聯(lián)點和化學(xué)鍵的數(shù)量有限。此時，橡膠分子鏈的運動受到的阻礙較小，輪胎材料表現(xiàn)出較低的模量和強度。在拉伸過程中，橡膠分子鏈能夠相對自由地伸展和滑移，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、提高流動性，但無法滿足輪胎在實際使用中對高抗拉性的要求。

(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，有效地限制了橡膠分子鏈的運動，使得輪胎材料的模量和強度大幅提高。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)炭黑用量達到某一最佳范圍時，輪胎能夠在承受較大拉力時保持結(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)炭黑用量占比超過一定限度后，情況開始發(fā)生變化。過量的炭黑顆粒在橡膠基體中容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致炭黑與橡膠之間的界面結(jié)合力下降。部分炭黑顆粒無法充分發(fā)揮其補強作用，反而成為應(yīng)力集中點。在拉伸過程中，這些應(yīng)力集中點容易引發(fā)裂紋的萌生和擴展，從而降低輪胎的抗拉性。此外，高用量占比的炭黑還會使橡膠材料的硬度過高，彈性降低，影響輪胎的舒適性和抓地性能。

實驗研究與分析

為了更準(zhǔn)確地探究炭黑用量占比對輪胎抗拉性的影響，相關(guān)研究人員進行了一系列實驗。實驗選取了不同炭黑用量占比(如 10%、20%、30%、40%、50%)的輪胎橡膠樣品，采用萬能材料試驗機對其進行拉伸性能測試。實驗結(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度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)上升趨勢，其中抗拉強度從 10MPa 提高到 25MPa，斷裂伸長率從 300%增加到 450%。當(dāng)炭黑用量占比繼續(xù)增加到 40%和 50%時，抗拉強度和斷裂伸長率開始下降，抗拉強度分別降至 22MPa 和 18MPa，斷裂伸長率分別降至 400%和 350%。這一實驗結(jié)果與上述理論分析相吻合，進一步驗證了炭黑用量占比存在一個最佳范圍，能夠使輪胎獲得最佳的抗拉性能。