中國粉體網(wǎng)訊 填料的種類很多，按其在橡膠中的主要作用可分為補(bǔ)強(qiáng)性填料和增容性填料。前者的主要作用是提高橡膠制品的硬度和機(jī)械強(qiáng)度，如拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度、耐磨性等，稱為補(bǔ)強(qiáng)劑或活性填料，如炭黑、白炭黑等；后者的主要作用則是增加膠料容積，從而節(jié)約生膠、降低成本，稱為填充劑、增容劑或惰性填料，如碳酸鈣、陶土、滑石粉等。
這兩類填料不能截然分開，一般來說，補(bǔ)強(qiáng)劑也有增容的作用，而填充劑也有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用；特別是由于生膠的類型不同，也使補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑之間的界限難以劃分。
通常以“彈性能”（扯斷功）數(shù)值的大小和變化來衡量各種填料在橡膠中的補(bǔ)強(qiáng)效果。通常炭黑、氧化鋅在相當(dāng)大的用量范圍內(nèi)具有較好的補(bǔ)強(qiáng)效果，常稱它們?yōu)檠a(bǔ)強(qiáng)劑；陶土和碳酸鈣等補(bǔ)強(qiáng)效果相對(duì)較小，常稱它們?yōu)樘畛鋭?/p>
1—炭黑；2—氧化鋅；3—陶土；4—碳酸鈣
1、橡膠改性方式概述
目前國內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)于橡膠產(chǎn)品的研究已經(jīng)十分成熟，對(duì)于橡膠產(chǎn)品的補(bǔ)強(qiáng)主要包括兩種，一種是添加補(bǔ)強(qiáng)填料，因此研究者致力于尋找各種性能優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)填料，另一種則是通過改性的方式將橡膠以及補(bǔ)強(qiáng)填料，納米材料進(jìn)行改性，目的是使得這些補(bǔ)強(qiáng)填料得以在橡膠基體中均勻分散，改善納米填料和橡膠基體的界面分散作用，從而補(bǔ)強(qiáng)橡膠基體的分子結(jié)構(gòu)，達(dá)到性能提升的目的。
2、橡膠中常用的改性填料
炭黑
炭黑的主要成分是碳元素，其含量在90%～99%之間，還有0.1%～9.0%的氧元素，0.2%～1.0%的氫元素及少量的硫和其他雜質(zhì)（水分、灰分、瀝青質(zhì)等）。炭黑粒子是由上千個(gè)炭黑微晶體圍繞著一個(gè)中心緊密堆砌而成的。其中，粒徑、結(jié)構(gòu)性和表面性質(zhì)，稱為炭黑的三大基本性質(zhì)，它們對(duì)橡膠的工藝性能及補(bǔ)強(qiáng)效果有著根本的影響。
白炭黑
白炭黑一般專指極細(xì)粒子的硅酸、硅酸鹽等硅系白色補(bǔ)強(qiáng)劑。白炭黑對(duì)各種橡膠都有十分顯著的補(bǔ)強(qiáng)效果，尤其對(duì)硅橡膠補(bǔ)強(qiáng)作用更佳，在硅橡膠中加入氣相法白炭黑，可使其拉伸強(qiáng)度提高約10倍；將白炭黑用于胎面膠代替部分炭黑能改善NR/SBR、NR/BR并用載重胎面的撕裂強(qiáng)度，減少崩花掉塊；在胎體膠料或簾布膠料的黏合配方中，采用白炭黑可提高膠料與骨架材料的附著力。
有了補(bǔ)強(qiáng)性能優(yōu)異的炭黑、白炭黑，傳統(tǒng)的非金屬礦物材料還有什么作用和優(yōu)勢(shì)?
在橡膠制品配方設(shè)計(jì)中，由于客戶對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求較高，補(bǔ)強(qiáng)劑大多選用優(yōu)質(zhì)炭黑，但是優(yōu)質(zhì)炭黑價(jià)格比其他無機(jī)填料高，填充量有限，在補(bǔ)強(qiáng)的同時(shí)降低成本的效果不理想。同時(shí)，炭黑填充量變化對(duì)橡膠制品的硬度等性能影響較大。無機(jī)填料具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，豐富的種類使其功能性大大增加，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景既可以部分替代價(jià)格昂貴的新材料又可以降本，同時(shí)發(fā)揮出自身的特性。
普通碳酸鈣
普通碳酸鈣由于表面活性低，補(bǔ)強(qiáng)效果很小，一般只作廉價(jià)填充劑使用，能使膠料容易壓出及壓延，可獲得光滑表面，并能很好地充滿模型，使制品輪廓清晰；其硫化膠的回彈性、耐屈撓性較好，永久變形較小，但定伸應(yīng)力低，耐磨性差。
活性碳酸鈣
活性碳酸鈣是指經(jīng)表面活性劑（脂肪酸、樹脂酸等）處理之后得到的碳酸鈣，簡(jiǎn)稱活鈣，也稱膠體碳酸鈣、表面改性碳酸鈣或白艷華。由于表面包覆了一定量的活性劑，且粒子較小（0.1μm以下），所以在膠料中易分散，并且表現(xiàn)出較好的補(bǔ)強(qiáng)效果，使硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性和耐屈撓性都高于普通碳酸鈣，并有很好的柔軟性。
納米碳酸鈣
目前應(yīng)用在橡膠中的碳酸鈣以重質(zhì)碳酸鈣和普通輕質(zhì)碳酸鈣為主，納米碳酸鈣的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也在不斷擴(kuò)大，主要應(yīng)用于輪胎，電線、電纜，橡膠制品等領(lǐng)域。納米碳酸鈣在橡膠中可起到增加體積，降低成本，改進(jìn)橡膠加工性能的作用。改善加工性能方面，添加納米碳酸鈣的橡膠制品在伸長率、壓縮變形、耐屈服性、抗撕裂性方面要遠(yuǎn)強(qiáng)于普通的碳酸鈣。通過特殊工藝處理的納米碳酸鈣，表面活性高，在紫外線照射下，可析出自由移動(dòng)的電子，極易與氧氣或有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，殺死病毒和細(xì)菌，故納米碳酸鈣還具有殺菌消毒的效用。
在實(shí)際應(yīng)用中，納米碳酸鈣可部分替代炭黑和白炭黑用于汽車輪胎的生產(chǎn)，但在補(bǔ)強(qiáng)效果方面仍有差距，因此在應(yīng)用中以受應(yīng)力較小的部位為主，如胎側(cè)、簾布膠、氣密層膠、內(nèi)層膠、緩沖膠等。納米碳酸鈣與活性氧化鋅搭配使用可大幅提升輪胎胎面膠的強(qiáng)度。二者組合應(yīng)用，迎合了環(huán)保趨勢(shì)，減少橡膠制品中重金屬鋅的含量，同時(shí)拓寬了碳酸鈣的應(yīng)用市場(chǎng)。納米碳酸鈣在膠管、膠帶中主要起補(bǔ)強(qiáng)、增白，同時(shí)提高膠料分散性的效果。
高嶺土是含水的一種鋁硅酸鹽，屬于常見的粘土礦物，這種礦物在橡膠中的實(shí)際應(yīng)用，能夠提升橡膠本身的彈性、阻隔性、伸長率以及抗屈撓性。當(dāng)高嶺土借助于加工工藝改性后，高嶺土表面含有大量的有機(jī)偶聯(lián)劑分子，這些分子與橡膠基體能夠有機(jī)的結(jié)合到一起，不會(huì)發(fā)生任何排斥反應(yīng)。當(dāng)這些偶聯(lián)劑分子在橡膠中處于游離狀態(tài)時(shí)，能夠遍布橡膠基體的各個(gè)角落，填充效果較好。
蒙脫石
蒙脫石是由顆粒極細(xì)的含水鋁硅酸鹽構(gòu)成的層狀礦物，如果利用特殊加工工藝將蒙脫石片狀分層進(jìn)行分解，以納米尺度的形式游離在橡膠基體內(nèi)，這些游離顆粒與橡膠基體內(nèi)的大分子相互結(jié)合、纏繞，進(jìn)而使這些大分子之間的交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量增多，加劇了硫化速度，阻滯了分子的移動(dòng)，分子間產(chǎn)生滑動(dòng)的可能性大幅降低。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：呈現(xiàn)出納米尺寸的蒙脫石分散顆粒與橡膠基體之間具有很強(qiáng)的結(jié)合力，靜態(tài)力學(xué)性能優(yōu)越，邵氏硬度與定伸應(yīng)力慢慢增加，拉斷伸長率慢慢降低，而撕裂強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低態(tài)勢(shì)。
滑石粉
滑石粉主要成分為含水硅酸鎂，其熔點(diǎn)高，柔軟，化學(xué)性質(zhì)不活潑，具有良好的潤滑性、抗粘性、耐燃性、抗酸性、絕緣性、吸附性和遮蓋性。由于滑石的結(jié)晶結(jié)構(gòu)呈層狀，具有易分裂的趨向和特殊的潤滑性，滑石粉作為填充劑多用于耐酸、耐堿、耐熱及絕緣制品，可直接與橡膠混合，不影響硫化，最大填充量可達(dá)到100份以上，還可以改善膠料在混煉過程中的包輥性能。配有滑石粉的膠料黏著性差，表面光滑，門尼黏度比配有硬質(zhì)陶土的低，適用于橡膠的注射成型。其缺點(diǎn)是撕裂強(qiáng)度較差，永久變形大。
硫酸鋇
硫酸鋇依據(jù)制法的不同，一種是將天然礦石（重晶石）粉碎而制得硫酸鋇，稱為重晶石粉，其粒度一般在2～25μm范圍內(nèi)，相對(duì)密度為4.0～4.5；另一種制法是將重晶石粉用碳還原成可溶性的硫化鋇，再用硫酸或硫酸鈉與其作用生成硫酸鋇。沉淀法硫酸鋇的相對(duì)密度為4.4～4.5，粒度較小，為0.2～5μm，而且白度大。硫酸鋇是一種惰性填料，常用于橡膠耐酸堿制品中，而且因其密度大，亦常用于要求質(zhì)量大的制品中。此外，還因其具有一定的耐X射線的作用，也可用于防X射線的制品。在某些場(chǎng)合下，可采用細(xì)粒的沉淀硫酸鋇作為合成橡膠的補(bǔ)強(qiáng)填充劑，使硫化膠具有較高的撕裂強(qiáng)度，且具有較小的永久變形。
鈦白粉
鈦白粉（TiO2）是十分重要的無機(jī)功能性顏料，具有優(yōu)良的性能———無毒、白度和光亮度好、折射率大、遮蓋力強(qiáng)，是公認(rèn)的性能最佳的白色顏料。在防老化、補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域，金紅石型鈦白粉具有良好的適用性，它具有較好的紫外線掩蔽作用，通常在橡膠行業(yè)中作為著色劑使用，在白色和彩色橡膠制品中加入二氧化鈦納米顆粒，橡膠制品伸展率大、耐酸堿和日曬、不易開裂和變色。橡膠工業(yè)用的鈦白粉，主要用于汽車輪胎（特別是轎車胎的白色外側(cè)），以及膠鞋（旅游鞋、球鞋、跑鞋等）、橡膠地板、手套、雨衣運(yùn)動(dòng)器材（如批秒千毫微、網(wǎng)球高爾夫球的外層都含有鈦白粉）等。
結(jié)語
非金屬礦物填料種類豐富，每一種材料都有其獨(dú)特的性質(zhì)和作用。橡膠體系復(fù)雜多樣，應(yīng)用場(chǎng)景越來越高端、復(fù)雜，需要更加功能化的產(chǎn)品，在這方面非金屬礦物填料具備較高的性價(jià)比，功能性解決方案多樣化，應(yīng)用廣泛且綠色環(huán)保，十分符合發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的大趨勢(shì)。
參考來源：
姚亮王國志主編《通用橡膠材料配方實(shí)用技術(shù)》化學(xué)工業(yè)出版社
武一玄，等：滑石粉和重質(zhì)碳酸鈣在氯丁橡膠中的應(yīng)用研究，北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司
張振，等：非金屬礦物在橡膠中的應(yīng)用探究，咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司
粉體網(wǎng)等
