白炭黑在橡胶中应用的一些常见问题

白炭黑（主要成分为水合二氧化硅）作为一种重要的补强填料，尤其在“绿色轮胎”领域不可或缺，但其使用技术门槛较高，操作不当极易导致质量问题。

以下是根据行业经验总结的十大常见误区，每个误区都附有详细解释和正确的操作指引。

一：认为白炭黑可以完全等量替代炭黑

这是最经典也是代价最高的误区之一。

错误认知： 简单地按照1:1的比例，用白炭黑替换配方中的炭黑（如N330, N550等），并期望获得相同的物理性能和加工特性。

详细解释：

1. 密度差异： 白炭黑的真密度约为2.0~2.1 g/cm³，而炭黑约为1.8 g/cm³。这意味着，相同重量下，白炭黑的体积更小。如果等重量替换，胶料的实际体积填料分数会发生变化，导致胶料硬度、模量等指标偏离预期。

2. 表面化学性质差异： 炭黑表面呈碱性或中性，且具有反应活性高的自由基；而白炭黑表面富含硅羟基（-SiOH），呈亲水性酸性。这导致它们与橡胶分子（尤其是非极性的NR、SBR、BR）的相互作用力截然不同。炭黑主要通过物理吸附和范德华力补强，而白炭黑需要与硅烷偶联剂反应后才能形成强力的化学键合。

3. 补强机理不同： 未经硅烷偶联剂处理的白炭黑，主要依靠氢键形成庞大的团聚网络（二氧化硅网络），这会显著增加胶料粘度，但补强效果远不如炭黑。

· 正确做法： 替换时必须进行配方重新设计。考虑体积替代（而非重量替代），并必须配合使用硅烷偶联剂（如Si69），同时调整硫化体系（通常需要减少促进剂用量，因为偶联剂反应会消耗一部分硫磺和促进剂）。

二：忽视硅烷偶联剂的正确使用

认为添加了白炭黑就万事大吉，而不理解硅烷偶联剂是发挥白炭黑性能的关键。

错误认知： 偶联剂随便加一点就行，或者不区分添加时机和工艺条件。

详细解释：

1. 添加量不足或过量： 偶联剂用量需根据白炭黑的比表面积（SiO₂含量）精确计算。用量不足，改性不完全，胶料仍会粘稠且性能差；用量过量，多余的偶联剂会起到增塑剂作用，反而降低胶料强度，并可能引发焦烧。

2. 反应条件不满足： 硅烷偶联剂与白炭黑的反应（硅烷化反应）需要高温（通常>140°C）和一定的剪切力，并且会副产乙醇。如果混炼温度不够或排胶过早，反应不完全，效果大打折扣。

3. 添加顺序错误： 最经典的“一段混炼法”是让白炭黑和偶联剂先充分接触反应。错误的顺序（如白炭黑与橡胶已混合均匀后再加偶联剂）会严重降低反应效率。

正确做法： 采用高混炼温度（145-160°C），确保偶联剂与白炭黑有足够的反应时间。推荐使用两段或多段混炼工艺，一段高温使白炭黑/偶联剂/橡胶母炼，二段再加入硫化体系，以避免硫化剂在高温下提前分解。

三：混炼工艺沿用炭黑的传统模式

直接用混炼炭黑的低温短时间工艺来混炼白炭黑胶料。

错误认知： 担心焦烧，采用低转速、低排胶温度（如110°C以下）的混炼工艺。

详细解释： 如上所述，白炭黑胶料需要高温来完成硅烷化反应。低温混炼会导致：

1. 偶联剂反应不完全，胶料门尼粘度高，加工困难。

2. 填料分散性差，白炭黑容易形成二次团聚，成为应力集中点，导致成品耐磨性、抗撕裂性下降。

3. 胶料储存后易发生结构化效应（氢键恢复），导致门尼粘度进一步上升，焦烧时间缩短。

正确做法： 必须采用高温混炼工艺。通过提高转子转速或延长混炼时间，确保排胶温度达到150°C左右。监控胶料的门尼粘度和 Payne效应（表征填料网络强度）来评估分散和反应效果。

四：不重视白炭黑的储存与预处理

白炭黑极易吸潮，忽视此点会严重影响其性能。

错误认知： 白炭黑开封后长时间暴露在空气中，或使用受潮结块的物料。

详细解释： 白炭黑表面的硅羟基是吸水的“高手”。吸潮后：

1. 影响偶联剂反应： 水分子会与硅烷偶联剂竞争性地与白炭黑表面反应，生成硅醇，消耗偶联剂并抑制其与白炭黑的有效键合。

2. 导致气泡： 混炼时水分受热蒸发，在胶料中形成气泡或微孔，影响制品致密性。

3. 促进焦烧： 水分会干扰硫化体系，可能加速或延迟硫化，造成硫化曲线不稳定。

正确做法： 白炭黑应密封储存于阴凉干燥处。开封后尽快使用完毕。如果已轻微受潮，使用前应在110-120°C的烘箱中干燥2-4小时。严禁使用已严重结块的物料。

五：忽视pH值和比表面积的影响

认为所有型号的白炭黑都差不多，可以随意互换。

错误认知： 用高pH值的白炭黑（如沉淀法白炭黑中的某些型号）去替代低pH值的品种，而不调整配方。

详细解释：

1. pH值影响硫化速度： 白炭黑表面呈酸性，对碱性促进剂（如次磺酰胺类）有吸附和延迟硫化作用。不同pH值的白炭黑对硫化速度的影响程度不同。高pH值的白炭黑延迟作用较弱。

2. 比表面积影响性能： 比表面积（如BET值）越高，补强潜力越大，但混炼难度和粘度也越高，对偶联剂的需求量也越大。随意更换不同比表面积的型号，会导致胶料加工性和物理性能的剧烈波动。

正确做法： 选择白炭黑时，必须明确其pH值和比表面积等关键指标。更换供应商或型号时，必须进行小样试验，重新评估硫化特性和物理性能，并相应调整促进剂和偶联剂的用量。

六：硫化体系未做相应调整

沿用炭黑胶料的硫化体系配方。

错误认知： 使用白炭黑后，硫化剂和促进剂的种类和用量保持不变。

详细解释：

1. 酸性延迟硫化： 白炭黑的酸性表面会吸附并分解碱性促进剂，导致硫化起步延迟，总硫化时间延长。

2. 偶联剂消耗硫磺： 硅烷偶联剂（如Si69）在反应过程中会释放出活性硫，参与交联。如果不减少硫磺用量，可能导致交联密度过高，胶料变硬，弹性下降。

正确做法：

1. 可考虑使用碱性促进剂（如DPG）作为二次促进剂，或适当增加促进剂用量以克服延迟效应。

2. 根据偶联剂的添加量，适当降低硫磺用量（通常减少10%-20%）。

3. 使用PEG（聚乙二醇）等活化剂，其碱性可以中和白炭黑的酸性，优先吸附在白炭黑表面，为促进剂“占位”，从而缓解延迟硫化现象。

七：对胶料粘性的变化准备不足

认为白炭黑胶料和炭黑胶料具有相似的粘性。

错误认知： 在成型工艺中， expecting the same building tack as carbon black compounds.

详细解释： 白炭黑胶料，尤其是经过充分硅烷化改性的，其表面迁移性物质较少，导致胶料半成品部件间的粘性（Building Tack）会显著下降。这会给轮胎成型、胶管缠绕等需要多层贴合的操作带来困难，导致脱层或鼓包。

正确做法： 需要在配方中加入增粘树脂（如烷基酚醛树脂、古马隆树脂等）来改善粘性。同时，优化成型工艺条件，如控制环境湿度、提高压合压力等。

八：追求过高的白炭黑填充量

认为填充越多，成本越低，性能越好。

错误认知： 盲目提高白炭黑添加量以降低成本。

详细解释：

1. 加工性恶化： 填充量过高，胶料粘度急剧上升，混炼能耗大，分散困难，容易导致设备过载。

2. 性能下降： 过量的填料无法被橡胶分子充分浸润，会导致动态生热高、弹性差、耐磨性反而下降。

3. 成本未必最优： 高填充量需要更多的偶联剂，增加了原料成本。同时，加工困难导致的废品率上升和能耗增加，都会抵消填料本身带来的成本优势。

正确做法： 白炭黑的填充量存在一个最佳值。需要通过实验，在满足目标性能（如滚动阻力、湿抓着力）的前提下，平衡加工性、动态性能和成本，确定最经济的填充份数。

九：忽视对生产环境的清洁要求

用管理炭黑粉尘的方式来对待白炭黑粉尘。

错误认知： 认为白炭黑粉尘和炭黑粉尘一样，清理一下即可。

详细解释： 白炭黑粉尘极其细小、轻盈，易飞扬，比炭黑更难清扫。如果生产环境中白炭黑粉尘污染严重，会交叉污染其他颜色的胶料或浅色胶料，造成质量问题。同时，长期吸入对操作人员呼吸系统健康也存在风险。

正确做法： 必须加强车间的通风和除尘措施。建议使用专用的密闭投料系统（如小料自动称量投放系统）。生产不同颜色胶料时，要做好设备和工作区域的彻底清洁。

十：仅凭传统指标评判胶料质量

只检测门尼粘度、硫化曲线和常规物理机械性能。

错误认知： 认为这些传统指标合格，白炭黑胶料就没问题了。

详细解释： 对于白炭黑胶料，尤其是用于高性能轮胎的，其核心优势在于动态性能（低滚动阻力）和湿路面抓着力。这些性能无法通过静态测试完全体现。

正确做法： 必须引入更先进的测试手段来综合评价：

1. RPA（橡胶加工分析仪）： 用于评估Payne效应，精确表征白炭黑的分散程度和填料网络结构。

2. DMA（动态热机械分析）： 用于测量胶料在不同温度下的tanδ值。0°C附近的tanδ表征湿抓着力，60°C附近的tanδ表征滚动阻力。这是评判“魔三角”平衡的关键技术。

3. 分散度仪： 直接观察胶料中白炭黑团聚体的尺寸和分布。

总结

白炭黑是一种“娇气”但性能卓越的功能性填料。成功应用它的关键在于深刻理解其表面化学特性，并围绕这一核心，对配方体系（偶联剂、硫化体系）、混炼工艺（高温高剪切） 和质量监控（动态性能测试） 进行系统性的、协同的优化。任何环节的疏忽，都可能导致前功尽弃。避免以上十大误区，是驾驭白炭黑，实现橡胶制品高性能化的必经之路。