1、基本概念
补强剂：指能提高橡胶制品物理机械性能的填料。
填充剂：指能增加橡胶制品的容积，降低含胶率，降低成本的填料。
2、填料的分类
按作用分：补强剂、填充剂
按颜色分：黑色填料、非黑色填料
按来源分：有机填料、无机填料
按形状分：粒状填料、树脂填料、纤维填料
第一节炭黑的品种和分类
炭黑品种有40多种。
按作用分：硬质炭黑（粒径40nm以下，补强性高）；软质炭黑（粒径40nm以上，补强性低）。按制法分：槽法炭黑、炉法炭黑、热裂法炭黑、新工艺炭黑
一、接触法炭黑（槽黑，呈酸性，补强性大，属硬质炭黑）
以冷却的金属成非金属为接触面，从原料气的火焰中将烟气冷却收集而成。
主要品种：
（1）天然气槽黑（以天然气为原料）PH较低。
易混槽黑EPC，ASTM标号为S
可混槽黑MPC，ASTM标号为S
（2）混气炭黑
（3）辊筒炭黑
（4）导电槽法炭黑CC，粒子粗，电阻很小。
基本性质：
（1）粒子较细（粒径范围30nm左右，）对NR的补强作用大，强伸性能、抗撕裂性能和抗割性能好，
（2）含氧量高（带有较多的含氧基团）呈酸性，迟延硫化作用，因酸性助剂对促进剂有吸附作用，
（3）主要用于NR中，制胎胎面胶，合成胶中少用。
二、油基炉法炭黑（碱性，具高补强性，硬质炭黑）
也称油炉黑或炉黑，是以原料油为原料。在特制的炉中进行燃烧，然后将烟气经喷水冷却而得，（因吸收了水中的盐类，呈碱性）
主要品种：
（1）超耐磨炭黑SAF（supperabrasionfurnaceblack），ASTM标号为N
粒子细，补强效果好，但不易分散，工艺性能差。
（2）中超耐磨炉黑ISAF（Intermediatesuperabrasionfurnaceblack），ASTM标号为N
高结构中超耐磨炉黑HS-ISAF，ASTM标号为N
低结构中超耐磨炉黑LS-ISAF，ASTM标号为N
（3）高耐磨炉黑HAF（Highabrasionfurnaceblack），ASTM标号为N
高结构高耐磨炉黑HS-HAF，ASTM标号为N
低结构高耐磨炉黑LS-HAF，ASTM标号为N
基本性质
粒子细，为高补强性的硬度炭黑，
对合成橡胶很适用（对NR也适用）
含水量氧量少，呈碱性，起促进硫化的作用
广泛用于要求耐磨性好的制品，如轮胎胎面胶
三、气基炉法炭黑（瓦斯炉法炭黑，补强性小，称为软质炭黑）
以天然气及一定比例空气在炉内进行不完全燃烧而得。
1.快压出炉黑FEF（FastExtrudingFurnaceblack），ASTM标号为N
粒子较前面粗，有别于混炼压出工艺，用于内胎胶
2.细粒子炉黑FF（FineFurnaceblack），ASTM标号为N
结构性较低，能提高胶料的弹性和耐屈挠性。
3.通用炉黑GPF（Generalpurposefurnaceblack），ASTM标号为N
粒子较大，兼有加工性能好，高定伸，高弹性、生热小等特点。
4.高定伸炉黑HMF（Highmodulusfurnaceblack），ASTM标号为N
提高胶料的定伸应力，补强性高于SRF，但低于GPF
5.半补强炉黑SRF（Semi-reinforcingfurnaceblack），ASTM标号为N（低结构）、N（高结构）
粒子较大，加工生热小，赋予硫化胶料弹性高、伸长率大，耐屈挠性以及粘着性能好。用于内胎、胶管时，填充量可大些。
四、热裂法和其它类型炭黑（软质炭黑，基本无补强作用）
1.细粒子热裂法炉黑FT（Finethermalblack），ASTM标号为N
适用于NR及合成胶中，常用于内胎。
2.中粒子热裂法炉黑MT（Mediumthermalblack），ASTM标号为N
适用于NR及合成胶中，多用于模压制品，特别适用于耐油制品。
以上两种粒径较大，几乎无补强作用，多作为廉价的填料使用，适用于压出制品及机械强度要求不高的制品。
3.导电炉黑CF（Conductivefurnaceblack），ASTM标号为N
4.乙炔炭黑ACET（Acetyleneblack）
粒径中等，为所有炭黑中结构性最高。
5.新工艺炭黑
以炉法生产为基础，经改善工艺性能而制得。
多用炉黑MPF（Multi-purposefurnaceblack）
全用炉黑APF（All-purposefurnaceblack）
超易操作炉黑SPF（Superprocessingfurnaceblack）。
特点为粒径小，粒径分布窄，表面光滑，加工工艺性能好，补强轮胎侧内胎及其他工业制品。
例题分析：在配制合成胶胎面时应选用何种炭黑，为什么？
（1）胎面胶要求：机械强度高、耐磨性好，弹性好，有一定的耐热、耐老化性，合成胶自补强性差，应选用补强性大的炭黑（硬质炭黑），炉黑中SAF粒子太细，不易分散，加工性能不好，而ISAF、HAF料合适，槽黑对合成胶补强性不大。
（2）若是NR胎面，由于槽里MPC、EPC补强性大，帮可选EPC、MPC、ISAF、HAF、SAF。
（3）若NR/合成胶并用，且以NR为主，则利用槽炉黑并用
（4）若合成胶/NR并用，且以合成胶为主，则选用炉黑。
第二节炭黑的基本性质
炭黑对橡胶有优异的补强效果，这与炭黑的结构及性质有密切关系。
一、炭黑的基本结构
由C、H化合物（油或天然气）经过高温裂解而成碳氢化合物。
各种炭黑之间的区别在于：微晶体堆砌过程中的规整性，即粒子中微晶体排列的规整性因各种炭黑而异。
规整性：热裂法炭黑气基炉法炭黑槽黑炉黑
二、炭黑的化学组成
分析结果表明，炭黑的组成除大部分为C元素外，还包含有少量的H、S、O等元素以及其它杂质和水分等，其含量因各种炭黑品种而异。
三、炭黑的基本性质
1.炭黑粒子的表面性质和表面化学活性。（影响补强性能的第一因素，强度因素）
（1）表面性质：粒子表面上含氧基团微晶体的不饱和性。
（2）化学活性：指炭黑粒子与橡胶结合的能力。实验证明，化学活性大的炭黑与橡胶结合能力大，补强作用大。
化学活性来源于其粒子中微晶结构的不饱和性；粒子表面上的含氧基团。
它们直接影响到炭黑的化学性质；同时影响炭黑的PH值及胶料的硫化速度。
2.炭黑粒子的大小，（影响补强性能的第二因素，广度因素）
一般来说，炭黑比表面50m/g则补强作用越大。
3．炭黑的结构性（影响补强性能的第三因素，形状因素）
基本概念
炭黑的一次结构（基本聚集体，聚熔体，永久结构）
炭黑在制造过程中，粒子间互相融结而形成的链枝状或葡萄状的聚集体叫一次结构。它由化学键结合，炼胶过程中不受破坏，是炭黑在胶料中最小可分散的单位。
炭黑的二次结构（次级聚集体）
指两个或两个以上，通过范德华力（物理吸附）而形成的疏松缔合物。结合较弱，有些在造粒时被破坏，大多在炼胶时被破坏。
结构性
指炭黑粒子连接成长链并融结在一起而成的三度空间的聚集倾向。粒子粘连越多，结构性越高。
结构性的表示方法
形状因素（早期使用，由电镜观察到）
形态因素（近年来使用）
吸油值
吸油值——指每克炭黑吸油的毫升数。常用DBP（邻苯二甲酸二丁酯）来测量，称为DBP吸油值，DBP值越大，说明炭黑吸油性越大，结构性越高。
总之，活性大，粒子小，结构性高的炭黑，补强性能大，硫化胶的拉伸强度，定伸应力，硬度，撕裂强度，耐磨性，定负荷下的耐疲劳性好；伸长率，回弹性小，定变形下疲劳生热性大。
四、炭黑的用量
一般为40～50份，过少起不到很好的补强作用，且不利于降低成本；过多则出现硬化效应，但对热裂法炭黑则不限。
炭黑用量对补强性的影响表现在：硬度，定伸应力和生热性等，随炭黑增量出现单调增大；回弹性，伸长率等出现单调下降；抗张强度（40—50份），撕裂强度及耐磨耗性（50—60份）等随炭黑增量出现最大值。对于自补强性橡胶，用量略低些，而非补强性橡胶则用量略高些。
五、炭黑对橡胶的补强作用机理
首先介绍应力软化：橡胶拉伸，所用拉力逐渐降低的现象。
(一)容积效应
炭黑在应力作用下不会变形，所以在炭黑胶料中，橡胶大分子受到的变形比外观的变形大。这叫做容积放大效应。Mullins和Tobin认为炭黑胶料的应力软化与纯硫化胶一样，所不同的是炭黑胶料中由于容积效应而有较大的应力软化和损耗。
(二)弱键和强键学说
50年代提出这个学说。应力软化是物理吸附的弱键在外力的作用下橡胶链脱离炭黑表面的结果。断裂时剩下的仅为强键，对于炭黑的补强作用，诸如拉伸强度、抗撕裂和耐磨耗等有关橡胶抵抗最后破裂作用的能力来说，少数化学吸附的强健数目最为重要。因此对要求补强件高的就应该有较多的强键数日、即要使用高活性的比表面积大的炭黑。
(三)Bueche的炭黑粒子与橡胶链的有限伸长学说
这个学说只考虑炭黑粒子与橡胶链所成的强键，橡胶链在应力作用下伸长到接近它们在粒子间的最大长度时，得到高模量。当超过这个长度就会脱离炭黑表面或断裂。当拉伸超过最短链的长度时，它先行断裂，之后按长短依次断裂；第二次伸及时，缺乏这些链的支持，应力下降、即应力软化。应力恢复是在松驰状态下炭黑粒子间的橡胶链重新分布，脱离的链又被新链所替代。无炭黑存在时，橡胶链断裂后，它的应力由相邻的链负担，易于相继断裂；有炭黑存在时，粒子间有多条橡胶链，一条链断了，应力由其他链分担，炭黑达着均匀应力的作用，减慢整体的破裂。当伸长大时，炭黑也会移动，这种移动也起着缓和应力的作用。均匀和缓和应力就是补强的原因。
〔四)壳层模型理论
核磁共振研究己证实，在炭黑表面有一层由两种运动状态橡胶大分子构成的吸附层。在紧邻着炭黑表面的大约0.5nm(相当于大分子直径)的内层，呈玻璃态；离开炭黑表面大约0.5—5nm范围内的橡胶有运动性，呈亚玻璃态，这层叫外层。这两层构成炭黑表面上的双壳层。这个双壳的界面层中的结合能必定从里向外连续下降，即炭黑表面对大分子运动性的束缚不断下降。最后到橡胶分子不受束缚的自由状态。
对壳层补强作用的解释是双壳层起骨架作用，构成一个橡胶大分子与填料整体网络，改变了硫化胶的结构，因而提供了硫化胶的物理机械性能。
(五)橡胶大分子链滑动学说
这是比较新、比较全而的炭黑补强理论。该理论的核心是橡胶大分子能在炭黑表面上滑动，由此解释了补强现象。炭黑粒子表面的活性不均一，有少数强的活性点以及一系列的能量不同的吸附点。吸附在炭黑表面的橡波链可以有各种不同的结合能量，由多数弱的范德华力的吸附以至少量强的化学吸附。吸附的橡胶链段在应力作用下会滑动伸长。
(1)表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附在炭黑粒子表面上。
(2)当伸长时，这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表面滑动，原始状态吸附的长度用点标出，可看出滑移的长度。这时应力由多数伸直的链承担，起应力均匀作用，缓解应力集少为补强的第一个重要因素。
(3)当伸长再增大，链再滑动，使橡胶链高度取向，承担大的应力，有高的模量，为补强的第二个重要因素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损耗。损耗会消去一部分外力功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强的第三个因素。
(4)是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应力软化效应，胶科回缩后炭黑粒子间橡胶链的长度差不多一样，再伸长就不需要再滑动一次，所需应力下降。在适宜的情况(加膨胀)下，经过长时间，由于橡胶链的热运动，吸附与解吸附的动态平衡，粒子间分子链长度的重新分布，胶料又恢复至接近于原始状态。但是如果初次伸长的变形量大，恢复常不超过50％。