炭黑是一種無定形碳，其結構類似于無序石墨，是芳烴在高溫下不完全燃燒形成。芳烴分子在高溫下通過碳-氫鍵斷裂而解離，碳原子與芳族自由基可反應形成層狀六邊形碳環結構，這些碳環傾向于堆疊成3~4層的晶體結構，層面邊緣主要由氫、自由基以及含氧官能團組成。碳環結構表面的酚羥基、羧基、內酯基、酸酐基和醌基等含氧官能團含量少，但會直接影響炭黑的表面化學性質，這些含氧官能團具有良好的化學反應性，為炭黑的表面改性提供可能。

炭黑在橡膠基體中的分散性是影響其補強的關鍵因素之一，若炭黑在橡膠中實現良好分散，需炭黑與橡膠達到熱力學相容，從而要求炭黑與橡膠的表面能盡可能相等。但炭黑的表面能高于橡膠，因此需對炭黑表面進行物理和化學改性，以降低炭黑的表面能。

1、等離子體聚合改性

等離子體聚合是一種發展迅速的對聚合物、金屬和粉體等表面改性的技術。在炭黑表面改性領域，改性技術主要表現為在炭黑表面沉積一層薄膜和炭黑在不同等離子體中的表面功能化。

T.MATHEW等以乙炔等離子體處理富勒烯炭黑，炭黑的表面能從70mJ/m2下降至50mJ/m2，因此改性后炭黑/橡膠復合材料表現出更低的Payne效應。S.J.PARK等采用氧等離子體對炭黑進行表面改性，能夠使炭黑表面的羰基、酯基和羧基等含氧官能團濃度提高，氧/碳元素含量比（O1S/C1S）增加，表面能從42mJ/m2降至19mJ/m2，因此顯著改善炭黑在橡膠中分散，提高炭黑/橡膠復合材料的撕裂強度和拉伸強度。

2、接枝聚合改性

在炭黑表面接枝聚合物或官能團也可降低炭黑的表面能，進而改善炭黑在橡膠中分散，提高炭黑補強效應。付文等利用濃硝酸對炭黑氧化改性，然后異氰酸酯化處理，最后與聚乙二醇400發生化學反應，即采用原位液相接枝技術成功將聚乙二醇接枝在炭黑表面。

F.CATALDO利用三氧化二氮、一氧化氮和四氧化二氮在炭黑表面引入硝基、亞硝基等。賈德民等利用甲基丙烯酸在炭黑的表面引入雙鍵。以上方法均促進炭黑在橡膠中分散，炭黑/橡膠復合材料的耐磨性能提高，滾動阻力和動態生熱降低。

3、電子輻照改性

電子輻照技術是采用高能電子束照射材料，改善材料性能的技術。Y.P.WU等采用高能電子束輻照炭黑粒子，能夠使炭黑的大顆粒數量減少，小顆粒炭黑數量增加，從而使炭黑顆粒尺寸趨向均勻，且能夠增加含氧官能團的數量。

該方法降低炭黑的表面能，促進炭黑在橡膠中分散，炭黑/橡膠復合材料的結合膠含量、抗濕滑性能和耐磨性能提高，滾動阻力降低。

4、偶聯劑改性

偶聯劑一種分子中同時含有兩種性質官能團的化合物，其分子的一端能夠與無機物反應，另一端能夠與有機物結合，通過偶聯劑在填料與橡膠之間構建“橋梁”，可促進填料分散。P.RAUT等開發一種新型偶聯劑聚-丁二烯接枝五氟苯乙烯，其分子中的聚丁二烯單元能夠與橡膠基體發生交聯反應，五氟苯乙烯單元由于缺電子特性能夠與富電子的炭黑產生π-π相互作用，從而改善炭黑在橡膠基體中分散。

J.J.HAN等發現乙烯基吡啶（VP）的吡啶官能團可與炭黑表面的酸性官能團如羧基、羥基等反應形成離子鍵和氫鍵，從而增強炭黑與橡膠之間的相互作用，降低炭黑的網絡結構和炭黑/橡膠復合材料的滯后損失。劉權等和孫阿斌等研究表明常規硅烷偶聯劑如γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）和乙烯基三乙氧基硅烷（VTEO）能夠與炭黑表面的官能團發生化學反應，具有調節炭黑/橡膠復合材料的磨耗與生熱矛盾的潛力。