绿色轮胎用高结构炭黑的结构三要素研究

高结构炭黑补强橡胶（绿色轮胎胎面）与高耐磨N系列炭黑（普通轮胎）比较，在耐磨性和抗撕裂性相当的情况下，300%定伸拉力提高6%、湿抓地力（tanδ0/ tanδ60）提高28%，滚动阻力降低约30%，这些相互制约的性能为何同时出现增长?这是经典理论无法解释的，本研究拟用扫描探针显微镜（SPM）测定高结构炭黑表面纳米结构, 采用溶液法炭黑结合胶的受热过程（TG/DSC）研究高结构炭黑表面吸附与脱附，获得相应反应的动力学参数，判断表面发生的是物理吸附还是化学吸附,炭黑表面突起与电荷集中点是否就是高结构炭黑的活性中心，通过计算高结构炭黑的表面纳米粗糙度、微观聚集体分布以及用"盒子计数法"及"小岛法"计算出高结构炭黑表面分形维数D，阐明高结构炭黑具有结构度高、聚集体直径大且尺寸分布较宽、表面活性高的三要素特点。

近年出现的高结构炭黑补强橡胶（绿色轮胎）与传统高耐磨N系列炭黑（普通轮胎）比较，在耐磨性和抗撕裂性相当的情况下，定伸拉力提高、湿抓地力提高，滚动阻力降低，这些相互制约的性能为何同时出现增长? 基于该具体科学问题，本项目对炭黑的结构三要素，原生颗粒、聚集体结构和表面活性分别进行了系统研究，以揭示高结构炭黑补强橡胶的作用机理。首先，我们利用SPM表征了不同炭黑原生颗粒与聚集体的形貌结构，并基于分形理论对其分形维数进行了计算，确立了炭黑微观结构的分形维数与宏观物理性能之间的关系；在此基础上，建立了基于SPM的常见标准炭黑形貌数据库。其次，我们还利用SPM针尖技术研究了炭黑表面的力学特征；并借助TG/DSC，利用结合胶法探讨了不同炭黑与橡胶结合界面的物理和化学作用。最后，研究了热处理前后高结构炭黑表面不同基团对其补强性能的影响；利用表面“活性泯灭”和反气相色谱法研究了高结构炭黑表面活性点的性质。结果表明，我们发现高结构炭黑的超强补强性能主要源于炭黑表面所存在的物理活性点（纳米突起）和化学活性点（特殊官能团）综合影响所致，并初步提出了高结构炭黑补强橡胶的缠绕模型，为更深入地开发螺旋纳米炭等新型橡胶补强炭黑奠定了理论基础。