橡膠填料以降低膠料成本、確保產(chǎn)品質(zhì)量為主旨，以大劑量添加到主體材料－橡膠中；而補(bǔ)強(qiáng)劑大多以提高或滿足性能要求為使用目的，如炭黑和白炭黑；兩者之間有相似之處。橡膠補(bǔ)強(qiáng)填料綜合了橡膠填料和補(bǔ)強(qiáng)劑的優(yōu)點(diǎn)，即以填料為原料，通過(guò)機(jī)械加工和化學(xué)改性的途徑，得到的材料在性能和使用效果方面均與使用補(bǔ)強(qiáng)劑接近，而成本則介于上述兩者之間。近年來(lái)，伴隨著發(fā)展各類橡膠制品的需要，經(jīng)過(guò)改性提高的補(bǔ)強(qiáng)填料的品種和用量與日俱增，已經(jīng)成為橡膠配合劑中的一個(gè)新門類。
一、傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)填料
1.1 炭黑
炭黑（ＣＢ）是由固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)烴類物質(zhì)經(jīng)過(guò)不完全燃燒或裂解生成的一種化工產(chǎn)品。炭黑作為橡膠制品的重要補(bǔ)強(qiáng)劑和填料，在于它具有提高橡膠的機(jī)械性能等作用，主要起補(bǔ)強(qiáng)、著色、導(dǎo)電、提高耐候性等作用，迄今已有超過(guò)１００年的歷史。長(zhǎng)期以來(lái)，輪胎一直都是利用炭黑來(lái)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的，只是到了如今，沉淀白炭黑才逐漸成為其強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。為滿足加工者更高或功能化的要求，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)一些新的炭黑品種或改性炭黑品種，旨在提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。對(duì)炭黑的應(yīng)用及補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理的研究越來(lái)越多，李艷花等從炭黑表面接枝聚合機(jī)理出發(fā)，討論了原位接枝技術(shù)在炭黑原位改性橡膠中的應(yīng)用與研究，為炭黑改性橡膠提供新思路和方法。
1.2 白炭黑
在白色、淺色填料中，補(bǔ)強(qiáng)效果能接近炭黑的，僅白炭黑一個(gè)品種。白炭黑又稱水合二氧化硅、活性二氧化硅和沉淀二氧化硅，分子式ＳｉＯ２·ｎＨ２Ｏ。它是高度分散狀的無(wú)定形粉末或絮狀粉末，密度小，電絕緣性、多孔性和吸水性很高。其原始顆粒粒徑小于３μｍ，故比表面積大，因此具有很好的補(bǔ)強(qiáng)和增粘作用以及良好的分散性、懸浮性和振動(dòng)液化特性。白炭黑根據(jù)制造方法大致可分為濕法白炭黑（水合硅酸）和干法白炭黑（無(wú)水硅酸）兩種。硅橡膠中干法白炭黑的用量非常大，尤其是熱硫化硅橡膠，其添加量可達(dá)４０％～５０％，但其成本較高，因此，橡膠通常使用濕法白炭黑。目前在氫化丁腈橡膠（ＨＮＢＲ）、氟橡膠（ＦＫＭ）、順丁橡膠、丁苯橡膠和異戊橡膠等中均有應(yīng)用。
1.3 炭黑／白炭黑雙相填料
近年來(lái)美國(guó)卡博特公司研發(fā)出炭黑／白炭黑雙相填料，即ＣＳＤＰＦ，用不同配合量的白炭黑（占少數(shù)），如８％～２０％的白炭黑（硅含量４％～１０％）對(duì)炭黑進(jìn)行表面改性，這種補(bǔ)強(qiáng)填料兼有炭黑和白炭黑性能優(yōu)勢(shì)。使得橡膠的耐磨性、抗?jié)窕悦黠@提高，而且很好地平衡輪胎的滾動(dòng)阻力、磨耗行為和抗?jié)窕浴?/span>
二、新型補(bǔ)強(qiáng)填料
安全、環(huán)保和節(jié)能是２１世紀(jì)輪胎技術(shù)發(fā)展的主題。在提高輪胎性能的同時(shí)，必須要著力解決安全、環(huán)保和節(jié)能問題，為此，開發(fā)了許多新型補(bǔ)強(qiáng)填料，其中多為無(wú)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)填料，主要硅酸鹽類與碳酸鈣類。
硅酸鹽類無(wú)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)填料
高嶺土及改性高嶺土
高嶺土又稱瓷土，是由多種礦物組成的含水鋁硅酸鹽的集合體，主要有用成分是高嶺石。作為補(bǔ)強(qiáng)填料，高嶺土摻入橡膠后，形成有機(jī)高聚物（橡膠，基體相）－無(wú)機(jī)物（高嶺土，
分散相）復(fù)合材料，能改善橡膠制品的物理化學(xué)性能，如力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性、穩(wěn)定性、耐酸堿腐蝕性以及改善膠料的加工性能。作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，高嶺土中Ｍｎ＜0.1007％～0.10045％（質(zhì)量百分含量），否則會(huì)加速橡膠的老化。此外，橡膠制品對(duì)高嶺土的吸附性、酸堿性及顆粒粒度也有一定的要求。
高嶺土經(jīng)改性后，能夠改善與有機(jī)高分子材料（橡膠）的交聯(lián)性、提高分散性、增加承受外界負(fù)荷的有效截面，進(jìn)而增強(qiáng)有機(jī)高分子材料制品的力學(xué)性能，功能性大幅提高，所以橡膠中改性高嶺土的應(yīng)用十分廣泛。
改性凹凸棒石粘土
凹凸棒石粘土，是一種含水富鎂硅酸鹽粘土。白色纖維狀結(jié)晶，是半補(bǔ)強(qiáng)類型填料。由于表面含有極性的硅羥基，它和非極性面有機(jī)高分子的親和性較差。對(duì)其表面進(jìn)行有機(jī)改性，改善其在橡膠基體中的分散性和親和性，可提高橡膠制品３００％定伸應(yīng)力、扯斷伸長(zhǎng)率
等性能。常用的表面處理方法有偶聯(lián)劑處理、表面活性劑處理和酸化處理。
改性膨潤(rùn)土
膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主的含水粘土礦。膨潤(rùn)土與聚合物之間的相容性差，但是經(jīng)過(guò)改性處理后，可改善橡膠的氣密性、定伸引力、耐磨性、防腐性、耐天候性、耐化學(xué)藥品性，尤其使橡膠的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等性能大幅度提高，可替代白炭黑。鑒于我國(guó)膨潤(rùn)土儲(chǔ)量十分豐富，因此改性膨潤(rùn)土在國(guó)內(nèi)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。張軍等以改性膨潤(rùn)土補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠，可替代高耐磨爐黑，橡膠力學(xué)性能滿足ＧＢ?。常保福梗讣夹g(shù)指標(biāo)。
滑石粉及改性滑石粉
滑石粉是水合硅酸鎂的片狀結(jié)晶，在橡膠中加入滑石粉，使擠出產(chǎn)品表面光滑。改性滑石粉是一種用硅烷處理過(guò)表面的超細(xì)片層結(jié)構(gòu)，硅烷一端和滑石粉表面化學(xué)結(jié)合，另一端
可參與硫化反應(yīng)。經(jīng)噴射碾磨，這種物理形態(tài)可以很好地平衡補(bǔ)強(qiáng)性和加工性，硫化膠的模量和抗壓縮性等物理機(jī)械性能得到顯著提高。
云母粉
云母粉含有多種成分，主要有ＳｉＯ２，含量一般在４９％左右，Ａｌ２Ｏ３含量在３０％左右。
人造云母粉有干磨法和濕磨法兩種，作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)填料的主要是濕磨法云母粉，可改善橡膠的物理機(jī)械性能、阻燃性、絕緣性、光澤等方面的性能，可用于特種橡膠制品。
石棉粉及其它
石棉粉是纖維狀硅酸鹽礦物的統(tǒng)稱。它對(duì)橡膠有補(bǔ)強(qiáng)作用，突出的優(yōu)點(diǎn)是隔音、隔熱、耐酸、耐堿和絕緣，也可用作隔離劑。此外，還有煤矸石粉、海泡石粉、長(zhǎng)石粉等。煤矸石粉為氧化硅和氧化鎂的混合物，類似于高嶺土，俗稱硅鋁炭黑，易混入橡膠，分散性好，可替代部分炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)劑使用。海泡石粉主要用于淺色橡膠制品中，性能僅次于白炭黑。長(zhǎng)石粉用于膠乳時(shí)能防止附聚作用且不破壞皂液性質(zhì)。
碳酸鹽類無(wú)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)填料
碳酸鹽類無(wú)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)填料主要為納米級(jí)碳酸鈣和改性碳酸鈣。碳酸鈣作為增量填料（增大體積、降低成本）在橡膠中被廣泛應(yīng)用。目前，碳酸鈣的粒徑已能粉碎到小于４０ｎｍ。納米級(jí)碳酸鈣與橡膠基體有較強(qiáng)的相互作用，對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能優(yōu)于炭黑和白炭黑。
鄒德榮的研究表明，納米碳酸鈣可以提高室溫硫化型硅橡膠的交聯(lián)密度并改善其物理性能。如用脂肪酸對(duì)碳酸鈣改性，則在其表面形成脂肪酸鈣，能夠更均勻分散于橡膠中，橡膠與碳酸鈣顆粒表面的潤(rùn)濕程度增加，從而補(bǔ)強(qiáng)效果顯著提高。
其它新型補(bǔ)強(qiáng)填料
粉煤灰型橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑（ＸＲＦ） 粉煤灰是硅鋁為主的燒成黏土質(zhì)人工火山堆的無(wú)機(jī)粉體材料，由煤粉在特定的條件下變熱、燃燒后，經(jīng)過(guò)冷卻到一定的溫度得到。粉煤灰為無(wú)機(jī)填料，與高分子材料的相容性差，通過(guò)表面改性可以提高其表面活性，使其表面由親水性變?yōu)橛H油性，增強(qiáng)其與橡膠高分子之間的界面相容性。經(jīng)過(guò)超細(xì)粉碎和表面改性等深加工以后，補(bǔ)強(qiáng)性能和填充量都有很大的提高。
北京化工大學(xué)研制出一種新型粉煤灰型橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑（ＸＲＦ），以粉煤灰為主體材料，在天然橡膠和合成橡膠（丁苯橡膠、丁腈橡膠、三元乙丙橡膠和氯丁橡膠等）中的應(yīng)用性能完全達(dá)到了同等替代半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的水平。該技術(shù)對(duì)于解決粉煤灰堆積環(huán)境污染和橡膠填料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題都有重要的現(xiàn)實(shí)意義，具有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
結(jié)論與展望
隨著汽車行業(yè)向安全、環(huán)保和節(jié)能方向發(fā)展，橡膠的補(bǔ)強(qiáng)是橡膠行業(yè)乃至高分子材料研究的一個(gè)重要課題。補(bǔ)強(qiáng)填料的應(yīng)用不但可以改善橡膠性能，而且可能會(huì)賦予橡膠許多新的特性，同時(shí)便于加工，降低成本，大大提高橡膠產(chǎn)品的性價(jià)比。新型填料的不斷涌現(xiàn)為橡膠改性提供了大量的新素材，拓展了橡膠補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)和功能橡膠材料領(lǐng)域的研究思路。應(yīng)在橡膠補(bǔ)強(qiáng)的過(guò)程中，加強(qiáng)粒子與橡膠基體的作用機(jī)理的探討，拓展補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料的表征和檢測(cè)手段。隨著對(duì)補(bǔ)強(qiáng)填充材料和填充技術(shù)深入的研究，必將促使橡膠工業(yè)進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。
|
