白炭黑補(bǔ)強(qiáng)劑成分鑒定及定性定量

白炭黑補(bǔ)強(qiáng)劑（又稱二氧化硅補(bǔ)強(qiáng)劑）的核心成分是納米至亞微米級(jí)的無(wú)定形二氧化硅（SiO?），但實(shí)際應(yīng)用的補(bǔ)強(qiáng)劑產(chǎn)品通常包含多種改性劑或載體以優(yōu)化性能。其成分分析如下：

一、核心成分：白炭黑（無(wú)定形二氧化硅）
化學(xué)組成

主要成分：二氧化硅（SiO?），含量通常 >85%。

雜質(zhì)：少量水分、微量金屬氧化物（如Na?O、Al?O?）、鹽（沉淀法工藝殘留）等。

物理特性（關(guān)鍵補(bǔ)強(qiáng)因素）

硅羥基（-SiOH）：表面存在孤立羥基、連位羥基等，影響親水性、與聚合物相互作用及偶聯(lián)劑改性效果。

表面酸堿性：通常呈弱酸性（pH 4~7）。

原生粒子形成鏈狀或簇狀聚集體，影響分散性和吸油值（如DBP吸油值）。

原生粒徑：5~100 nm（氣相法更細(xì)，沉淀法略粗）。

比表面積：80~380 m2/g（超高比表面積補(bǔ)強(qiáng)性更強(qiáng)，但加工難度增大）。

粒徑與比表面積：

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：

表面化學(xué)：

二、輔助成分（針對(duì)改性或預(yù)分散產(chǎn)品）
為改善分散性、相容性及加工性能，白炭黑補(bǔ)強(qiáng)劑常添加以下成分：

硅烷偶聯(lián)劑（關(guān)鍵改性劑）

雙-[3-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物（TESPT，如Si-69）：用于輪胎膠料（改善抗?jié)窕浴⒔档蜐L動(dòng)阻力）。

辛基三乙氧基硅烷：改善加工性和分散性。

氨基硅烷：增強(qiáng)與極性聚合物（如EPDM）的相容性。

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)（如：≡Si-OH + R'-Si(OR)? → ≡Si-O-Si-R'）接枝疏水基團(tuán)，降低表面極性。

增強(qiáng)與橡膠（尤其非極性橡膠如SBR、BR）的界面結(jié)合，提升補(bǔ)強(qiáng)效率。

作用：

常用類型：

分散劑與表面活性劑

作用：減少粒子團(tuán)聚，促進(jìn)混煉分散。

類型：聚乙二醇（PEG）、脂肪酸酯、季銨鹽等。

載體樹脂/橡膠（預(yù)分散母粒）

將白炭黑預(yù)分散于EPDM、SBR、EVA等載體中（母粒含SiO?約50~70%），簡(jiǎn)化加工流程。

加工助劑

增塑劑：環(huán)烷油、石蠟油（改善混煉流動(dòng)性）。

潤(rùn)滑劑：硬脂酸鋅、聚乙烯蠟（防粘輥、促脫模）。

穩(wěn)定劑

抗氧劑（如BHT）防止儲(chǔ)存或加工中氧化降解。

三、成分分析常用方法
檢測(cè)目標(biāo) 分析方法 關(guān)鍵信息
二氧化硅含量 熱重分析（TGA）：900℃空氣氛圍灼燒殘留物為SiO? 定量核心成分含量
表面羥基密度 滴定法、TGA（200℃失重）、紅外光譜（FTIR，3750 cm?1處-OH峰） 評(píng)估表面活性及改性潛力
硅烷偶聯(lián)劑接枝率 FTIR（觀察-Si-C-鍵特征峰）、TGA（200~600℃失重對(duì)應(yīng)偶聯(lián)劑分解） 驗(yàn)證改性效果
粒徑與分散性 激光粒度儀、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM） 觀察聚集體形態(tài)及分散狀態(tài)
比表面積與孔隙 氮吸附法（BET）：測(cè)定比表面積；DBP吸油值：評(píng)估結(jié)構(gòu)度 關(guān)鍵補(bǔ)強(qiáng)性能指標(biāo)
表面疏水性 水接觸角測(cè)試、甲醇潤(rùn)濕性測(cè)試 評(píng)估偶聯(lián)劑改性效果
元素組成 X射線熒光光譜（XRF）：主量元素；X射線光電子能譜（XPS）：表面元素化學(xué)狀態(tài) 分析雜質(zhì)及表面化學(xué)環(huán)境
有機(jī)添加劑 溶劑抽提（/乙醇）+ 氣相色譜/質(zhì)譜（GC-MS） 定性定量分散劑、增塑劑等
四、白炭黑補(bǔ)強(qiáng)劑 vs. 炭黑的差異
特性 白炭黑（二氧化硅） 炭黑
化學(xué)本質(zhì) 極性（親水性） 非極性（疏水性）
補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制 物理填充+化學(xué)結(jié)合（依賴硅烷偶聯(lián)劑） 物理吸附+網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
綠色輪胎優(yōu)勢(shì) 降低滾動(dòng)阻力、提升濕抓地力（“魔三角”平衡） 耐磨性好，但滾阻較高
加工挑戰(zhàn) 難分散、高吸濕、混煉生熱大 分散性較好，工藝成熟
總結(jié)
核心：高純度無(wú)定形二氧化硅（粒徑、比表面積、表面羥基是性能關(guān)鍵）。

改性關(guān)鍵：硅烷偶聯(lián)劑（如Si-69）是提升與非極性橡膠相容性的核心。

工業(yè)形態(tài)：直接使用粉體或預(yù)分散母粒（含載體樹脂+助劑）。

分析重點(diǎn)：TGA（SiO?含量）、BET/DBP（結(jié)構(gòu)特性）、FTIR/XPS（表面化學(xué)）、SEM（分散性）。