中國粉體網訊 填料的種類很多，按其在橡膠中的主要作用可分為補強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械強度，如拉伸強度、定伸應力、撕裂強度、耐磨性等，稱為補強劑或活性填料，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，補強劑也有增容的作用，而填充劑也有一定的補強作用；特別是由于生膠的類型不同，也使補強劑和填充劑之間的界限難以劃分。
通常以“彈性能”（扯斷功）數值的大小和變化來衡量各種填料在橡膠中的補強效果。通常炭黑、氧化鋅在相當大的用量范圍內具有較好的補強效果，常稱它們為補強劑；陶土和碳酸鈣等補強效果相對較小，常稱它們為填充劑。
1—炭黑；2—氧化鋅；3—陶土；4—碳酸鈣
1、橡膠改性方式概述
目前國內外的研究學者對于橡膠產品的研究已經十分成熟，對于橡膠產品的補強主要包括兩種，一種是添加補強填料，因此研究者致力于尋找各種性能優良的補強填料，另一種則是通過改性的方式將橡膠以及補強填料，納米材料進行改性，目的是使得這些補強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，從而補強橡膠基體的分子結構，達到性能提升的目的。
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（水分、灰分、瀝青質等）。炭黑粒子是由上千個炭黑微晶體圍繞著一個中心緊密堆砌而成的。其中，粒徑、結構性和表面性質，稱為炭黑的三大基本性質，它們對橡膠的工藝性能及補強效果有著根本的影響。
白炭黑
白炭黑一般專指極細粒子的硅酸、硅酸鹽等硅系白色補強劑。白炭黑對各種橡膠都有十分顯著的補強效果，尤其對硅橡膠補強作用更佳，在硅橡膠中加入氣相法白炭黑，可使其拉伸強度提高約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。
有了補強性能優異的炭黑、白炭黑，傳統的非金屬礦物材料還有什么作用和優勢?
在橡膠制品配方設計中，由于客戶對產品品質要求較高，補強劑大多選用優質炭黑，但是優質炭黑價格比其他無機填料高，填充量有限，在補強的同時降低成本的效果不理想。同時，炭黑填充量變化對橡膠制品的硬度等性能影響較大。無機填料具有顯著的成本優勢，豐富的種類使其功能性大大增加，在不同的應用場景既可以部分替代價格昂貴的新材料又可以降本，同時發揮出自身的特性。
普通碳酸鈣
普通碳酸鈣由于表面活性低，補強效果很小，一般只作廉價填充劑使用，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，但定伸應力低，耐磨性差。
活性碳酸鈣
活性碳酸鈣是指經表面活性劑（脂肪酸、樹脂酸等）處理之后得到的碳酸鈣，簡稱活鈣，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，并且表現出較好的補強效果，使硫化膠的拉伸強度、撕裂強度、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
目前應用在橡膠中的碳酸鈣以重質碳酸鈣和普通輕質碳酸鈣為主，納米碳酸鈣的應用領域和范圍也在不斷擴大，主要應用于輪胎，電線、電纜，橡膠制品等領域。納米碳酸鈣在橡膠中可起到增加體積，降低成本，改進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、抗撕裂性方面要遠強于普通的碳酸鈣。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，可析出自由移動的電子，極易與氧氣或有機物發生反應，殺死病毒和細菌，故納米碳酸鈣還具有殺菌消毒的效用。
在實際應用中，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，但在補強效果方面仍有差距，因此在應用中以受應力較小的部位為主，如胎側、簾布膠、氣密層膠、內層膠、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度。二者組合應用，迎合了環保趨勢，減少橡膠制品中重金屬鋅的含量，同時拓寬了碳酸鈣的應用市場。納米碳酸鈣在膠管、膠帶中主要起補強、增白，同時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際應用，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偶聯劑分子，這些分子與橡膠基體能夠有機的結合到一起，不會發生任何排斥反應。當這些偶聯劑分子在橡膠中處于游離狀態時，能夠遍布橡膠基體的各個角落，填充效果較好。
蒙脫石
蒙脫石是由顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構成的層狀礦物，如果利用特殊加工工藝將蒙脫石片狀分層進行分解，以納米尺度的形式游離在橡膠基體內，這些游離顆粒與橡膠基體內的大分子相互結合、纏繞，進而使這些大分子之間的交聯點數量增多，加劇了硫化速度，阻滯了分子的移動，分子間產生滑動的可能性大幅降低。經研究發現：呈現出納米尺寸的蒙脫石分散顆粒與橡膠基體之間具有很強的結合力，靜態力學性能優越，邵氏硬度與定伸應力慢慢增加，拉斷伸長率慢慢降低，而撕裂強度與拉伸強度呈現出先增加后降低態勢。
滑石粉
滑石粉主要成分為含水硅酸鎂，其熔點高，柔軟，化學性質不活潑，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。由于滑石的結晶結構呈層狀，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陶土的低，適用于橡膠的注射成型。其缺點是撕裂強度較差，永久變形大。
硫酸鋇
硫酸鋇依據制法的不同，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，相對密度為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。在某些場合下，可采用細粒的沉淀硫酸鋇作為合成橡膠的補強填充劑，使硫化膠具有較高的撕裂強度，且具有較小的永久變形。
鈦白粉
鈦白粉（TiO2）是十分重要的無機功能性顏料，具有優良的性能———無毒、白度和光亮度好、折射率大、遮蓋力強，是公認的性能最佳的白色顏料。在防老化、補強領域，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。橡膠工業用的鈦白粉，主要用于汽車輪胎（特別是轎車胎的白色外側），以及膠鞋（旅游鞋、球鞋、跑鞋等）、橡膠地板、手套、雨衣運動器材（如批秒千毫微、網球高爾夫球的外層都含有鈦白粉）等。
結語
非金屬礦物填料種類豐富，每一種材料都有其獨特的性質和作用。橡膠體系復雜多樣，應用場景越來越高端、復雜，需要更加功能化的產品，在這方面非金屬礦物填料具備較高的性價比，功能性解決方案多樣化，應用廣泛且綠色環保，十分符合發展綠色經濟的大趨勢。
參考來源：
姚亮王國志主編《通用橡膠材料配方實用技術》化學工業出版社
武一玄，等：滑石粉和重質碳酸鈣在氯丁橡膠中的應用研究，北京橡膠工業研究設計院有限公司
張振，等：非金屬礦物在橡膠中的應用探究，咸陽非金屬礦研究設計院有限公司
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