2 展望
2.1 各大炭黑公司近年开发的炭黑新品种
卡博特公司近年开发了CRX(CRX1325、CRX1346、CRX1420、CRX1436、CRX1444、CRX1476)、ECOBLACK(ECOBLACK2000、ECOBLACK2002、ECOBLAK2006、ECO-BLACK2124、ECOBLACK2125、ECOBLACK4210)和VULCAN(VULCAN1345、VULCAN1380、VUL-CAN1391、VULCAN1436)三大系列炭黑新品种。其中，CRX1346为高比表面积、高结构、高着色强度、高补强性炭黑，适用于高、超性能轮胎和赛车胎。CRX1420为高耐磨、高滞后性(但生热不太高)炭黑，适用于Z速度级高性能轮胎、在泥泞道路上行驶的轮胎和长途行驶的赛车胎。ECOBLACK系列为白炭黑-炭黑双相填充剂(CSDPF)。它能提高橡胶-填充剂的相互作用，降低填充剂-填充剂之间的柑互作用，从而降低滚动阻力，提高牵引性，但耐磨性稍有降低。ECOBLACK4210硅含量较高，而且主要分布于炭黑表面，因此，在降低滚动阻力的同时，耐磨性与炭黑接近。VULCAN1345补强性极好，适用于高、超性能赛车胎；VULCAN1380耐磨性高，适用于低滚动阻力轿车胎、低生热卡车胎和拖车胎胎面；VULCAN1391为高比表面积、高结构、高着色强度、高补强性炭黑，适用于高、超性能的赛车胎；VULCAN1436结构高、生热低、易分散，适用于低滚动阻力轿车胎和卡车胎胎面。
德固赛公司近年开发成功的炭黑新品种为EB系列炭黑。以EB111为例，其理化性能和N220相近，但着色强度较低，聚集体分布范围较宽，表面活性因石墨微晶的边缘和错位多而得以增强(故亦称之为纳米级炭黑)。与N220相比，其滚动阻力降低6%-7%，抗湿滑性无差别，耐磨性相等或稍高。其中EB109是一种极高结构的炭黑，降低炭黑用量，滚动阻力比N234降低8%，但抗湿滑性不如白炭黑。EC-ORAXI670适用于卡车轮胎，可以降低滚动阻力、降低油耗；ECORAX1720适用于卡车轮胎，可以提高胎面耐磨性；ECORAX1990适用于卡车轮胎，可以提高抗刺扎和抗切割性能，降低磨耗。
哥伦比亚公司开发的CD2005、CD2013、CD2014、CD2015、CD2016、CD2038均为超高结构炭黑，基于吸留胶效应，可在适当降低填充量的前提下，降低滚动阻力，保持较好的补强性能，适用于子午胎胎面。CD2041的STSA(统计吸附层厚度法比表面积)为122 m2/g，其粒径、结构与N110相近，但表面微孔较少，在用于大客车和载重汽车钢丝子午胎胎面胶时，可在降低滚动阻力和生热的同时，减少胎面磨耗，提高撕裂强度。
大陆碳公司开发的LH10、LH20、LH30、LH35、LH40等5个炭黑品种的氮吸附比表面积由127 m2/g降低至60 m2/g，DBP值约为135 ml/100 g，其聚集体分布宽、滚动阻力低。LH32可用来替代N326，用于钢丝胎胶料，可以降低胎体生热。X2597A号称第二代低滞后炭黑产品，表面活性高，比第一代产品的滚动阻力还低。
2.2 采用新的填充体系提高轮胎的综合性能
轮胎胎面性能的提高受滚，动阻力、湿路面抓着力和胎面磨耗这些相互矛盾的魔幻三角所限制。对于轿车轮胎来说，要求进一步提高干路面牵引力和干路面刹车性能，而对载重汽车轮胎来说，对提高耐切割性和耐崩花性要求更严。
通常，采用白炭黑可大幅度提高轿车轮胎的湿路面牵引性能，但会降低干路面牵引力。为了克服这一缺点，可在配方中添加高比表面积炭黑。通过并用新的白炭黑和硅烷也可以提高湿路面牵引力。
为了使载重汽车轮胎胎面获得更好的耐磨性，必须采用具有更高结构的填充剂，但其他性能将会下降。更理想的耐切割和耐崩花性能需要高比表面积和低结构炭黑，但会增加滚动阻力。为了满足这些相互矛盾的性能要求，载重汽车轮胎需要新的填充剂。这些填充剂必须对天然橡胶(载重汽车轮胎胎面胶的基本材料)发挥出它们最佳的补强潜能。2.2.1 载重汽车轮胎用填充剂与三大性能的关系
(1)滚动阻力
载重汽车轮胎的胶料都对滚动阻力有很大的影响。因此，不仅要优化胎面胶，而且也要能减少滞后损失。为了降低载重汽车轮胎胎面的滚动阻力，可采用两种方法：一是采用称为纳米级炭黑；二是采用高分散性高比表面积的白炭黑。
从填充52份ASTMN356炭黑和相应的E-1670纳米级炭黑的载重汽车轮胎天然胎面胶试验数据比较中可以看到，纳米级炭黑可大幅度降低滞后损失和生热，这就表明，这样可以降低滚动阻力。由于纳米级炭黑韵DBP值较低，所以硫化胶的300%定伸应力稍低。
在各种苛刻使用条件下，E-1670炭黑填充胶的耐磨性均好于N356填充胶(填充80phr炭黑的SBR/1，4-BR胶料)。因此，L1670炭黑是降低滚动阻力的首选炭黑，至少添加E-1670可获得优越的耐磨性能。
与添加N220炭黑的对比胶料相比，炭黑与白炭黑并用可明显减少滞后损失(tanδ/回弹性、生热)，同时可保持高模量和优越的耐磨性。炭黑与白炭黑并用的佩恩效应和动态刚性比对比胶的低，因此，也可降低滞后损失。
通过优化胎体胶可进一步降低滚动阻力。如胎面胶那样，可通过采用特种炭黑和白炭黑来减小不同轮胎的滞后损失。纳米级炭黑E-1830可提高缓冲胶的粘合性，而具有20 m2/gCTAB值的低比表面积炭黑最适用于胎体、胎圈和气密层胶。
通过添加或不添加白炭黑的钢丝帘线挂胶的对比，说明了采用E-1830的好处。采用E-1830的硫化胶模量与其他胶差不多，静态下的抽出力(POF)相似，70℃下的老化性能未明显降低，而在恒应变条件下测得的tanδ下降了20%以上。降低tanδ值可减少生热，这不仅可降低滚动阻力，而且可提高耐磨性。
在胎体和胎圈胶中采用EB204炭黑，这种炭黑具有比普通的N550炭黑更低的CTAB表面积(20 m2/g)和更高的DBP值(140 ml/100g)。试验结果表明，在胎体胶料配方中采用EB204可降低滞后损失。正如预料的那样，通过降低炭黑的比表面积和稍微增加填充剂的填充量，可在保持模量的同时，降低tanδ值20%以上。
EB206炭黑具有比EB204炭黑更低的结构(DBP80 ml/100 g)，CTAB表面积(20 m2/g)相同。尽管EB206的结构比EB204的低，但这种炭黑具有优越的分散性能，通常需要添加比N772和N660更高的填充量才能获得相同的300%定伸应力和硬度。因此，这种炭黑最适用于要求提高气密性的轮胎气密层胶。
可通过改变胎冠胶和胎面基部胶的构成，进一步降低滚动阻力。将E1830或低比表面积白炭黑作为填充剂，可使胎面基部胶具有非常低的滞后损失。在胎面胶和胎体胶中采用白炭黑作为主填充剂，可能会产生降低导电率的问题。为了保证足够高的导电率，采用具有高导电率结构的胶料是一个解先方法。另一项措施是采用少量XE2之类的导电炭黑，这种炭黑具有600 m2/g的高CTAB比表面积。
降低炭黑填充胶滞后损失还可以采用炭黑-白炭黑双相填充剂。通过研究炭黑-白炭黑双相填充剂CRX2124的特性对载重轮胎胎面胶效果(以高补强填充剂N134炭黑作为对比物)得知，CRX2124胶料的滞后损失比炭黑胶料低得多，而且，通过添加TESPT可以进一步减小tanδ值。CRX2124胶料的最大tanδ比炭黑对比胶的小24%，这表明其滚动阻力比炭黑胶的低得多。
(2)耐磨性、耐切割性和耐崩花性
对载重汽车轮胎，特别是对长途载重汽车轮胎，最重要性能要求是优越的胎面耐磨耗性能。对公路或越野重型卡车来说，较好的耐切割性、耐崩花性和耐掉块性也是重要的。用纳米技术可满足载重汽车轮胎的性能要求。
特殊的纳米级炭黑E-1990具有高CTAB比表面积(135 m2/g)、高结构(DBP91 ml/100g)和低微孔率。E-1990炭黑的独特性能使其成为提高耐切割性、耐崩花性、胎面耐磨性和低滞后损失之间的综合平衡的理想填充剂。
在7%滑移率下测得的CRX2124炭黑-白炭黑双相填充剂填充胶的磨耗指数只比炭黑对比胶低约17%。通过添加1.0(质量份)TESPT可以进一步提高CRX2124填充胶的耐磨性其耐磨性更接近填充N134炭黑的载重汽车轮胎胎面胶。
(3)湿路面防滑性能
通过测试炭黑、白炭黑和ECOBLACK等填充胎面胶在不同负荷下的抗湿滑性能可以看出，炭黑的湿摩擦因数与白炭黑类似，而ECO-BLACK要好得多。与炭黑相比，使用ECO-BLACK填料可以使载重轮胎的抗湿滑性能获得显著改善；将填充CRX2124炭黑-白炭黑双相填充剂的硫化胶与N134炭黑硫化胶的防滑性能作比较，CRX2124填充胶具有更高的湿路面防滑性能。
2.2.2 轿车轮胎用填充剂与三大性能的关系
(1)滚动阻力在欧洲，轿车轮胎胎面胶已采用高填充量的白炭黑/硅烷补强体系。配方的进一步优化，基本上取决于提高聚合物-填充剂相互作用和减少填充剂-填充剂网络。提高牵引力和刹车性能需要胶料具有最易耗散能量的滞后特性。这可以通过改变填充剂体系或填充剂并用，结合优化聚合物基料获得。例如，将丁基橡胶添加到白炭黑填充SBR胶料中。通过检验不同轮胎部件对滚动阻力的影响得知，低滞后损失的胎面胶最能降低滚动阻力，而通过优化胎体结构也可以在一定程度上降低滚动阻力。采用胎冠-基部结构也可以通过减少滞后损失来进一步降低滚动阻力。将来最有可能获得应用的是跑气保用轮胎，这种轮胎具有能在低压或零内压下承载负荷的特殊胎侧。这种胎侧必须具有高刚性和低滞后损失。要满足这些要求，最好采用添加了较高结构低比表面积炭黑(例如N 550或EB 204)的高交联密度NR/BR并用胶。S-SBR/1，4-BR胶料可通过提高胶料中的白炭黑与炭黑的配比来降低滞后损失。
由于CSDPF4000白炭黑-炭黑双相填充剂胶料具有较低的填充剂-填充剂相互作用和较高的聚合物-填充剂相互作用，所以，它实际上减少了胶料的填充剂网状结构。在CRX4210胶料中很少产生填充剂网状结构，不会对硫化胶的滞后损失与温度的相关性产生很大影响。通过在2.5%应变振幅和10 Hz下测得的tanδ与温度的关系可知，CRX4210与白炭黑一样，具有比炭黑低得多的高温下的tanδ值的高得多的低温下的tanδ值。炭黑胶料的最大tanδ值是0.323，该数值比CRX4210和白炭黑的tanδ值分别小48%和50%。根据众所周知的滚动阻力和高温下的tanδ值之间的相关性可以预测，采用CRX4210配方的轮胎的滚动阻力与白炭黑配方轮胎的差不多，但比炭黑配方轮胎的低得多。
降低滚动阻力还可使用形成较少强网络，从而减少滞后损失的填充剂。这些填充剂可以是低比表面积的天然填充剂和改性淀粉、纤维素、微粒凝胶之类的有机物质。理想的方法是添加第二种甚至第三种填充剂，但这些填充剂都存在着补强性较低的问题，因为这些填充剂具有比白炭黑和炭黑更少的活性表面或更少的刚性结构。为了解决胎面耐磨性问题，上述填充剂的填充量限制在5%-15%，且通常须采用偶联剂。
(2)耐磨性
由于白炭黑与烃类橡胶之间有较低的聚合物-填充剂相互作用，即使添加高用量的偶联剂，白炭黑配方的耐磨性也比炭黑配方的差得多。这种较差的耐磨性可以通过提高含白炭黑填充剂的炭黑相表面活性得到部分补偿。用卡博特磨耗试验机在14%滑动速度下测得的耐磨性指数表明，虽然填充CRX4210和2.7质量份TESPT的胶料的耐磨性不能完全达到炭黑配方的水平，但比白炭黑配方要好得多。
(3)湿路面防滑性能
湿路面防滑性能试验在室温下进行，用湿喷砂玻璃板作为试验路面。通过试验发现，不管胶料的动态性能如何，其防滑性能均随着胶料的白炭黑界面面积的增加而呈线性提高。与炭黑和CSDPF2000相比，由于CRX4210具有高的白炭黑表面覆盖率，所以，它具有高得多的湿路面防滑性能。
提高白炭黑/硅烷填充剂填充量，可提高湿路面和干路面牵引力，但采用其他填充剂或优化并用胶也可以提高牵引力。除了提高白炭黑填充量可提高湿路面牵引力外，通过采用高性能的炭黑与白炭黑并用，也是提高干路面牵引力的理想方法。虽然白炭黑填充剂适用于提高湿路面抓着力，但要在严苛行驶条件下获得理想的干路面抓着力，就必须添加HP-碳黑。
通过将HP-炭黑和白炭黑并用的标准轿车轮胎胎面胶C与填充N 339的全炭黑胶A、N234填充胶B的性能比较可知，尽管胶料B填充了高比表面积炭黑，但其滚动阻力与胶料C的相似。胶料C中的白炭黑不仅比N234更能降低滞后损失，而且可提高湿路面抓着力。根据所有的预测值得知，HP-炭黑可提高胶料的干路面抓着力。也有报导介绍，具有高于100m2/g比表面积的氧化铝和氢氧化物与硅烷偶联剂并用可提高湿路面牵引力，且不会降低耐磨性能。用更高玻璃化温度(Tg)的橡胶或并用丁基橡胶来改变聚合物体系可提高湿路面牵引力。虽然，用更高玻璃化温度的橡胶或并用丁基橡胶可提高湿路面牵引力，但不能保持低滚动阻力和耐磨性。为了保证尽可能低的滚动阻力和最佳耐磨性，采用比表面积为120-140m2/g的白炭黑和提高硅烷偶联剂用量是一个适宜的选择。
综上所述，通过采用新的填充体系可以明显提高轮胎的滚动阻力、耐磨性与干湿路面防滑性能之间的综合性能。
3 结语
近20年来，围绕环保和安全两大主题，轮胎技术向着低滚动阻力、高牵引性、良好的耐磨性和耐久性方向发展，轮胎技术明确的开发目标促进了新品种炭黑的开发和应用。国内外各大炭黑制造商纷纷加大科技投入，开发新品种炭黑，并将其商品化。高结构炭黑、转化炭黑、纳米级炭黑、白炭黑、白炭黑，炭黑双相填充剂等新品种炭黑的相继研制成功，在保持轮胎胎面胶低滚动阻力的前提下，提高了轮胎的耐磨性，使轮胎综合性能得到提高，推动了轮胎工业的发展。
未来橡胶补强填充剂将朝以下几个主要方向发展：
(1)寻找低生产能耗、价廉且性能优良的天然矿物质作橡胶填充剂；
(2)对现有的橡胶填充剂进行改性，以提高其质量，改善其性能；
(3)开发超微细粉状填充剂，改善其工艺性能，提高橡胶制品的质量；
(4)开发价廉、性能优良的纤维状填充剂，形成系列化专用产品；
(5)将工业废弃物用作填充剂，这样既可解决环境污染问题，又能找到一种材料来源，使废弃物成为具有经济效益和实用价值的资源。 
