近年來(lái)由于石油價(jià)格猛漲，以石油產(chǎn)品為原料的合成橡膠、橡膠配合劑的價(jià)格隨之上漲，大大增加了橡膠制品的生產(chǎn)成本，對(duì)橡膠工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了不利的影響。為了擺脫原材料對(duì)石油資源的依賴，促進(jìn)橡膠工業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展，開發(fā)非石油資源的橡膠配合劑已成為橡膠原材料的發(fā)展方向。
橡膠工業(yè)大量使用粉體材料作為填充劑，其用量?jī)H次于橡膠耗用量。補(bǔ)強(qiáng)填充劑能提高橡膠的強(qiáng)度，使橡膠制品有良好的耐磨、耐撕裂、耐寒、耐熱、耐油、耐化學(xué)腐蝕等性能，延長(zhǎng)制品的使用壽命。非補(bǔ)強(qiáng)填充劑主要起填充增容作用，有時(shí)也兼有隔離、脫�；蛑饔�，有利于膠料的加工操作。
粉體材料的補(bǔ)強(qiáng)效果與其顆粒尺寸大小有關(guān)。一般微米級(jí)的非金屬礦物粉體材料不具有補(bǔ)強(qiáng)效能，通過(guò)表面化學(xué)改性處理就能使其具有半補(bǔ)強(qiáng)效能；納米級(jí)的粉體材料由于粒徑極小，比表面積很大，混入橡膠中能使制品具有高強(qiáng)度、高韌性、高比熱、高導(dǎo)電率和高磁化率等寶貴特性。
補(bǔ)強(qiáng)型填充劑主要是炭黑和白炭黑；非補(bǔ)強(qiáng)型填充劑主要品種為非金屬礦物粉體材料。由于炭黑生產(chǎn)主要原料來(lái)源于石油產(chǎn)品，生產(chǎn)過(guò)程中又會(huì)排放大量二氧化碳，應(yīng)著力開發(fā)非石油資源的補(bǔ)強(qiáng)填充劑。天然礦物粉體材料表面化學(xué)改性和納米化是最新的發(fā)展方向。在應(yīng)用技術(shù)方面，納米形態(tài)分散這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)一旦能取得突破，將推動(dòng)納米材料在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
橡膠用粉體材料現(xiàn)狀
1.補(bǔ)強(qiáng)型填充劑
目前的補(bǔ)強(qiáng)型填充劑中，應(yīng)用最廣泛、用量最大、補(bǔ)強(qiáng)效能最好的是炭黑和白炭黑。2006年世界炭黑耗用量為860萬(wàn)t，我國(guó)為175萬(wàn)t，占世界耗用量的20.3%。預(yù)計(jì)到2010年，世界炭黑需求量將達(dá)1010萬(wàn)t，我國(guó)約為225萬(wàn)t，占世界需求量的22.3%。2006年我國(guó)白炭黑耗用量為20.2萬(wàn)t，預(yù)計(jì)到2010年需求量約為27萬(wàn)t。
炭黑的成分90%～99%是碳元素，其余是少量揮發(fā)分和水分。爐法和槽法生產(chǎn)的炭黑粒徑均為納米級(jí)（1～100nm）；熱裂法生產(chǎn)的炭黑，粒徑為亞微米級(jí)（101～500nm）。白炭黑粒徑均為納米級(jí)，氣相法生產(chǎn)的白炭黑粒徑范圍在3～40nm，不含結(jié)晶水，二氧化硅含量在99.8%以上；沉淀法所得粒徑范圍為16～100nm，含結(jié)晶水，二氧化硅含量為87%～95%。
白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能不如炭黑，但含有白炭黑的膠料生熱低、撕裂強(qiáng)度高、與金屬的粘合性能好，在輪胎特別是大型輪胎中使用效果很好。為了綜合炭黑和白炭黑的優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)卡博特公司和德國(guó)德固賽公司開發(fā)成功一種雙相炭黑。用汽化法（干法）將白炭黑分散于炭黑中，制得CSDP炭黑，其表面有細(xì)微的缺陷部分，添加后可使橡膠具有良好的防滑性能和低的滾動(dòng)阻力，但耐磨性差；在炭黑淤漿中加入硅酸鈉加水分解（濕法）制得的SCC炭黑是涂白炭黑的炭黑，含有SCC的膠料在高溫區(qū)（30℃～70℃）tanδ數(shù)值偏低，在低溫區(qū)（低于-60℃）tanδ較高，主要應(yīng)用于制造輪胎胎面，使胎面具有低的滾動(dòng)阻力和良好的耐磨性能。
2.非補(bǔ)強(qiáng)型填充劑
這類填充劑的主要品種為天然非金屬礦物粉體材料，如含水合硅酸鋁的陶土，含碳酸鈣的石灰石粉、大理石粉、白堊粉、貝殼粉，含碳酸鈣鎂的白云石粉，含硅酸鎂的硅灰石粉、滑石粉、海泡石粉、石棉粉，含硅酸鋁鉀的長(zhǎng)石粉、云母粉等。
若以耗膠量為100計(jì)，這類填充劑在橡膠制品中的用量約占25（其中陶土占9，碳酸鈣占4，其余占12）。2006年我國(guó)耗膠量為450萬(wàn)t，耗用陶土約40.5萬(wàn)t，碳酸鈣18萬(wàn)t，其他非礦粉體材料約54萬(wàn)t。預(yù)計(jì)到2010年，耗膠量將達(dá)600萬(wàn)t，相應(yīng)的陶土需求量為54萬(wàn)t，碳酸鈣需求量為24萬(wàn)t，其他非礦粉體材料需求量為72萬(wàn)t。
發(fā)展非石油資源的補(bǔ)強(qiáng)填充劑
炭黑是補(bǔ)強(qiáng)性能最好的橡膠填充劑，制造炭黑的主要原料乙烯焦油和天然氣均來(lái)源于石油工業(yè)，為不可再生的資源。隨著能源供應(yīng)緊張形勢(shì)加劇及石油價(jià)格猛漲，炭黑原料的供應(yīng)越來(lái)越困難。
在炭黑生產(chǎn)過(guò)程中，碳含量為90%的原料油在800℃預(yù)熱時(shí)，只有大約2/3的碳轉(zhuǎn)化為炭黑，其余1/3的碳形成二氧化碳被排放到大氣中，加劇了溫室效應(yīng)；生產(chǎn)過(guò)程中排放的氮?dú)鉁囟纫苍?00℃左右，也會(huì)造成全球氣候變暖。從節(jié)約不可再生資源和保護(hù)環(huán)境角度考慮，應(yīng)當(dāng)加大力度發(fā)展非石油資源的橡膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外均取得了一些可喜的成果，簡(jiǎn)要介紹如下：
1.天然黑色補(bǔ)強(qiáng)填充劑
俄羅斯尚吉特國(guó)際碳業(yè)公司（Carbon Shungit Intenational）與印度橡膠專家合作成功開發(fā)了一種新型黑色橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，命名為“Shungit”，它是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的天然粉體材料，由70%結(jié)晶的硅酸鹽粒子均勻分散在30%無(wú)定形碳基質(zhì)中生成，呈球形分層結(jié)構(gòu)，粒徑范圍在10～20nm。應(yīng)用試驗(yàn)表明，它可以在輪胎和非輪胎橡膠制品中部分或全部替代炭黑。這一新型補(bǔ)強(qiáng)劑在輪胎胎面膠中使用，能改善膠料的加工性能，提高輪胎在冰雪路面上的抓著力；用于胎圈子口和三角膠芯膠，能改善疲勞壽命。應(yīng)用于非輪胎橡膠制品時(shí)，它能改善膠料的門尼粘度、焦燒安全性和流變特性，高填充量時(shí)還能提高膠料的耐熱性能和阻燃性能，填充量高達(dá)400份時(shí)，膠料具有高硬度、高抗沖擊性能、高導(dǎo)電性能和高耐磨性能。使用“Shungit”最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠在維持和改善原有膠料性能的同時(shí)顯著降低生產(chǎn)成本。目前“Shungit”已在俄羅斯的輪胎和非輪胎橡膠制品中投入使用。
2.天然淺色補(bǔ)強(qiáng)填充劑
上海延達(dá)橡塑工程材料公司與中科院有機(jī)所專家合作開發(fā)成功一種淺色的橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑6851，其原料為含硅酸鋁的天然礦物粉體材料，粒徑小于30μm，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面化學(xué)處理制得，在輪胎和非輪胎橡膠制品中能部分替代炭黑和白炭黑，已成功用于丁基膠內(nèi)胎、摩托車自行車輪胎、膠帶、汽車橡膠配件和電線電纜等制品。加入補(bǔ)強(qiáng)劑6851的膠料混煉時(shí)間縮短，擠出壓延半成品表面光滑，尺寸穩(wěn)定性好，硫化過(guò)程中膠料流動(dòng)性好，加工性能得到顯著改善。同時(shí)，膠料生熱有所降低，耐熱性能有所提高。硫化膠的物理性能與原膠相比沒有明顯變化。用于粘合膠料能明顯提高橡膠與纖維簾布和鋼絲簾線的粘合力。
使用補(bǔ)強(qiáng)劑6851也能在維持原膠料性能的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。印度生產(chǎn)汽車橡膠配件的客戶用75份補(bǔ)強(qiáng)劑6851超量替代30份快壓出炭黑，在含膠率降低的情況下還能使硫化膠的物理性能與原配方膠料保持一致，投產(chǎn)后生產(chǎn)成本降低了6.7%。上海膠帶公司用補(bǔ)強(qiáng)劑6851部分等量替代半補(bǔ)強(qiáng)炭黑，在保持原膠料性能的基礎(chǔ)上，能降低原材料成本60%左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
3.天然納米補(bǔ)強(qiáng)填充劑
爐法、槽法炭黑和白炭黑均為納米材料，對(duì)橡膠有顯著的補(bǔ)強(qiáng)作用。從理論上講，任何固體材料超細(xì)納米化，都具有補(bǔ)強(qiáng)功能。例如普通碳酸鈣屬非補(bǔ)強(qiáng)型填充劑，若超細(xì)到納米量級(jí)（粒徑為30～80nm），經(jīng)表面活性處理即可升級(jí)為補(bǔ)強(qiáng)型填充劑，日本稱之為“白艷華”，其補(bǔ)強(qiáng)性能可與白炭黑媲美。
當(dāng)前高分子材料（橡膠、塑料）中使用納米材料過(guò)程中最大的技術(shù)難點(diǎn)是：用現(xiàn)有工藝裝備和加工技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)鈉米材料在復(fù)合材料中以納米形態(tài)分散。這是由于納米顆粒已接近分子、原子尺寸，范德華力和分子間力使其容易團(tuán)聚。用電子顯微鏡觀察混煉膠中炭黑的分散可清楚看到炭黑以聚集態(tài)分散在混煉膠中，這就是納米粒徑的炭黑混入橡膠并不能獲得納米材料應(yīng)具備的寶貴特性的原因。要真正解決納米形態(tài)分散，還要從多方面努力。目前在天然或合成膠乳中混入納米材料，然后脫水制成干膠以及在微米、亞微米粒子表面包復(fù)納米粒子的試驗(yàn)已獲得一些可喜的成果。納米形態(tài)分散技術(shù)一旦取得突破，將開創(chuàng)一個(gè)納米材料大規(guī)模應(yīng)用的新時(shí)代。
