3.4 炭黑-白炭黑双相粒子

炭黑-白炭黑双相粒子（carbon-silica dual phase filler,CSDPF）是在气相状态下采用有机硅化合物与炭黑的共生技术合成的新型填料粒子，即在炭黑的生产过程中混入适量的白炭黑对炭黑进行化学改性，炭黑与白炭黑两相相互掺杂，削弱彼此间的团聚作用，能够在橡胶中形成均一的填料网络，从而达到传统填料并用所达不到的综合性能，在橡胶工业中有着良好的应用前景。

3.4.1 CSDPF的结构和形貌

CSDPF中含有炭黑和白炭黑两相，主要含有碳元素和硅元素，硅含量在0.5%~25%（重量比）不等，大多数含量在2%~6%（重量比）。不同牌号的CSDPF中白炭黑的分布、白炭黑表面覆盖率以及硅含量各有所不同；白炭黑随机分布在聚集体表面，部分分布在聚集体内，白炭黑尺寸在0.4~2 nm之间。CSDPF聚集体示意图及透射电子显微镜（TEM）照片见图3-2。

CSDPF的表面含有大量的活性官能团，如羰基、羟基、硅醇基及活性氢，其活性官能团和比表面积比炭黑高。几种不同牌号的CSDPF和几种传统填料的表面化学性质对比如表3-4。

3.4.2 CSDPF的表面改性及其对橡胶的补强

CSDPF表面活性基团与橡胶的相互作用，是实现橡胶补强的重要原因。对于CSDPF,由于炭黑相表面有更多的杂原子，从而导致表面晶格缺陷的增加或晶格尺寸减小，因此CSDPF表面活性中心比炭黑多，其补强效果比传统填料要好。例如,CSDPF填充橡胶（SSBR/BR）的结合橡胶含量比传统填料高，动态滞后损失与炭黑相比更低，生热更少。

由于CSDPF表面含有白炭黑相，白炭黑相中的硅醇基也会造成CSDPF一定程度上的团聚，因此需要对CSDPF进行表面改性，进一步提高CSDPF对橡胶的补强效果。

1.硅烷偶联剂改性

类似于白炭黑，硅烷偶联剂可以与CSDPF表面白炭黑相中的硅醇基进行反应，改变CSDPF的表面特性，提高其对橡胶的补强性。有研究表明，偶联剂的加入能改善CSDPF在NR中的分散，加强CSDPF与NR的界面结合，硫化胶表现出更低的滚动阻力和更好的抗湿滑性能。

2.电子束改性

高能电子束能够对填料表面进行轰击，使得填料表面的活性点更多，结构性得到提高，从而提高填料与橡胶之间的相互作用，最终改善CSDPF在橡胶中的应用特性。有研究显示，经过电子束改性后，改性CSDPF填充的SBR具有更高的剪切黏度，熔体流动过程中的活化能也得到提升。

3.离子液体改性

离子液体（ionic liquids,ILs）是一种室温液体盐类，由有机阳离子和无机阴离子组成，常见的阳离子有季铵盐离子、季 盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等，阴离子有卤素离子、四氟硼酸根离子和六氟磷酸根离子等。由于离子液体中，阴阳离子的体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，因此可以充分利用阴阳离子的特性，如咪唑阳离子的共轭π电子和阴离子上的孤对电子，对CSDPF进行表面改性。不同阴阳离子结构的离子液体与CSDPF形成不同的相互作用。研究报道,1 -烯丙基 -3-甲基咪唑盐酸盐（AMI）和1 丁基 3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMI）与CSDPF之间分别形成了次价键-氢键和范德华力相互作用。经过不同相互作用改性,CSDPF填充的NR硫化胶的性能有显著的不同（表3-5）。AMI改性的CSDPF填充NR硫化胶（AMI-CSDPF/NR）的性能较好，特别是拉伸强度和疲劳寿命。