對于輪胎來說，它與路面直接接觸的那面表面印有花紋的膠料，也就是“胎面膠”，對其性能有著至關重要的影響。它能使輪胎具有牽引力，緩沖行駛時的沖擊和搖擺，防止簾線層的割破和刺穿等，是汽車使用的舒適程度、安全性、使用壽命及能量消耗的重要參考物。

顯然，單純的橡膠是不具備足夠的強度來完成這一系列工作的，必須要使用填料對其進行補強。到目前為止，炭黑是補強效果的填料，能賦予橡膠制品優異的拉伸強度與撕裂強度，還對制品的耐磨性、耐熱性等方面有所改善。但是炭黑存在污染程度高、能源消耗大等問題，而且無法克服輪胎“魔鬼三角”難題，幫助輪胎化身“綠色輪胎”。因此更為環保的“白炭黑”成為了更好的選擇。

備注：在輪胎制造領域內一直有“魔鬼三角”之說，指的是輪胎的耐磨性、安全性、環保節油三者之間因自身性能，不能同時得到改善，也就是說，必須在犧牲某一種或兩種性能的同時才能獲得另一種性能改善的現象。

1992年，法國米其林公司研發出了世界上首條填充了大量白炭黑的“綠色輪胎”，不僅能顯著降低滾動阻力，而且又提高了抗濕滑性能，讓輪胎走出“魔鬼三角”制約，開辟出了輪胎研究的一個新方向。

白炭黑的選擇

白炭黑的制作一般可分為氣相法及沉淀法，但由于成本原因，一般只采用沉淀白炭黑作為輪胎的補強劑，即在高溫下將硅酸鹽與純堿反應得到工業水玻璃，在水溶液中經一定條件下酸化，生成水合SiO₂沉淀，然后過濾、洗滌、干燥后得到成品。

白炭黑添加到聚合物中后，其表面含有的活性基團可以和聚合物分子鏈進行結合。通過白炭黑在聚合物分子中的分散，其表面會形成聚合物的吸附層，并且由于納米二氧化硅的多孔性，聚合物分子還能鉆到二氧化硅空隙中，使聚合物分子鏈的活動性下降，聚合物-白炭黑相互作用形成網絡結構使補強材料的模量增大，起到補強作用。

但納米沉淀白炭黑存在一個問題，那就是純度不高，而且由于粒徑小，比表面積大，表面親水羥基含量高、活性高，在制備過程中還會形成各種聚集態（即二次結構的產生）。在二次結構中，由范德華力、靜電等弱的作用力而使粒子集在一起形成的結構“軟團聚體”還可被打散；但若是粒子間發生化學反應，如羥基發生縮合反應而生成醚鍵，或粒子之間形成氫鍵，這種“硬聚集體”即使有外力作用也難以打破。因此為了充分發揮白炭黑的補強功能，必須要提升白炭黑在聚合物中的分散性。

白炭黑的表面改性

目前，提升白炭黑有機分散性的最佳方式，就是對其進行表面改性。前面提到，白炭黑表面存在大量的活性羥基，這些活性羥基可與改性劑之間發生作用，而這就是白炭黑表面改性的基礎，其意義在于可以降低二氧化硅表面的-OH密度，使其親疏水性進行轉變，改善填料與聚合物之間的相容性，提高補強效果。

硅烷偶聯劑對二氧化硅的修飾示意圖

在輪胎領域中，白炭黑最常用的改性劑就是硅烷偶聯劑。硅烷偶聯劑是一種有機硅化合物，分子中具有2種不同的反應性官能團，可以通過反應形成無機相-硅烷偶聯劑-有機相橋鍵，從而使聚合物與無機填料界面間得到具有化學鍵強度的界面結合力。其通式可表示為R-SiX3，其中X代表水解基團，水解后轉化成Si-OH基團，能與納米SiO₂表面羥基進行脫水反應，結合成穩定的Si-O-Si化學鍵。

20世紀70年代，人們就發現雙官能團硅烷偶聯劑雙-(γ-三乙氧基硅丙基)四硫化物(TESPT)對白炭黑有表面改性作用，可提高白炭黑與橡膠之間的相容性，降低膠料的門尼黏度、生熱和滾動阻力，改善膠料的加工性能，提高硫化膠的耐磨性。橡膠工業中最常用的偶聯劑是可與二烯類橡膠大分子反應的含S或巰基的硅烷偶聯劑，如雙(g-三乙氧基硅丙基)四硫化物(Si69)；雙-(三乙氧基硅丙基)二硫化物TESPD(Si75)；γ-巰基丙基三甲氧基硅烷(A-189)等。

結語

目前高分散白炭黑已在各種輪胎部件中得到使用，包括載重輪胎、轎車輪胎、農業輪胎等，使用部位也不局限于輪胎胎面，在帶束層、胎側和鋼絲黏合膠等部位也有用到。在市場需求的驅動下，低成本、高分散、功能化和精細化成為了白炭黑的發展方向，在未來想必還會有更多的新應用被發掘。

資料來源：

白炭黑改性及其對橡膠應用性能的影響，張小兵，張洪影，閆發輝，李小紅，丁濤。

表面改性白炭黑在綠色輪胎胎面膠中的應用研究，張洪影。

粉體圈 小榆整理