粒状填料对橡胶的补强——理论及实践，填料的生产制造|二氧化硅|填料|橡胶|氧化锌|白炭黑|硅酸钠

来源：橡胶技术网

《粒状填料对橡胶的补强——理论及实践》是由王梦蛟、[美]迈克尔·莫里斯（Michael Morris）编著的学术专著，2021年化学工业出版社出版。该书系统论述填料在橡胶补强中的作用机理，其理论成果为“液体黄金”轮胎研发提供技术支撑。

全书围绕填料微观结构、形态及表面特性对橡胶性能的影响展开，提出流体动力学效应、界面效应、包容效应与聚集效应的分析框架。内容涵盖炭黑与白炭黑的制备工艺、填料与橡胶相互作用机理、混炼胶加工性能与硫化胶力学性能关联性研究，重点分析填料对轮胎滚动阻力、抗湿滑性与耐磨性的调控规律。书中收录炭黑化学改性、双相填料创新案例，并阐述气相法二氧化硅在硅橡胶中的应用实践。

橡胶出现伊始便有了粒状填料在橡胶中的应用。填料的使用一方面提升了胶料的性能，同时也降低了橡胶的成本。

石灰石粉，重晶石，黏土，高岭土等均可用于天然橡胶中，不仅降低了材料成本，对产品性能也无明显害处。氧化锌最初用作白色颜料，但随后发现其具有一定补强效果，是一种"活性"填料。而炭黑作为一种黑色颜料，即使在填充量很低的情况下也能够显著提高硫化胶的性能，尤其是刚性。

1891年Heinzerling和Pahl对炭黑在橡胶中的效应进行了系统研究，认为出现这些效应的部分原因可能与其对含氧化锌的硫化体系具有一定活化作用有关。

1904年，Mote在英格兰发现炭黑具有补强作用。当填充炭黑后，硫化胶的拉伸强度大大提高。当时橡胶轮胎的使用已经10年以上，人们立刻认识到这一发现的重要性，并进一步进行了深人研究。结果表明填充炭黑的轮胎比填充氧化锌的轮胎具有更优异的耐磨性能。

如今，炭黑已经是橡胶中最重要的填料，其生产和制造技术在20世纪得到长足发展。全世界的炭黑75%应用于轮胎制造，超过了其他所有填料的总和。

同时，非炭黑类填料也在不断发展。1939年第一种补强型非炭黑类填料硅酸钙问世。它是由氯化钙和硅酸钠在溶液中月月沉淀法制备的。随着这一工艺的进一步发展，用盐酸将钙除去，得到颗粒尺寸合适的补强型白炭黑。大约10年后，人们可以在硅酸钠溶液中直接用沉淀法制备二氧化硅(在橡胶界因其功能像炭黑而称为白炭黑)。这一方法实现了白炭黑的工业化生产，时至今日仍然是白炭黑最主要的生产工艺。

在1950年，出现了一种无水白炭黑，它是由四氯化硅或三氯硅烷与水蒸气在氢-氧焰中反应制得。由于制备温度很高(1400C)，这种气相热解法白炭黑表面的硅羟基浓度要比沉淀法白炭黑低。后后者二氧化硅含量为88%~92%，灼烧减量为10%~14%，但气相法白炭黑的二氧化硅含量高达99.8%。由于其表面硅基浓度较低，纯度超高(通常杂质含量少于100ppm,1ppm=10-6)以及价格较贵，气相法白炭黑通常只用于高端产品，诸如硅橡胶等。

自从1948年沉淀法白炭黑及其硅酸盐生物实现工业化生产以来，生产商一直致力于将其应用在轮胎之中。虽然在鞋底材料中白炭黑很快全部替代了炭黑，也在工业制品中占据了一席之地，但是在轮胎中的应用仅限于两方面：在非公路胎胎面胶中，用10~15份白炭黑与炭黑并用以提高抗撕裂性能；纤维帘线或钢帘线的黏合胶中，用15份白炭黑与炭黑并用，配合间苯二酚/甲醛体系使用，以提高胶料的黏合性能。

20世纪70年代的石油危机导致炭黑价格暴涨，白炭黑在轮胎中替代炭黑的议题再度引起广泛关注。但是当石油价格回落，炭黑供应充足时，白炭黑价格偏高的问题又凸显出来，尤其是在日本和北美地区。所以，要想替代炭黑，白炭黑需要展现它的技术优势。

随着社会的不断发展，人们逐渐认识到轮胎工业严重的污染问题。从环保角度考虑，对驾驶安全，低油耗的长行驶里程轮胎的需求也愈加紧迫。这为白炭黑在轮胎中的应用创造了新的机会。另一方面，双官能硅烷偶联剂的使用可以通过化学方法调控白炭黑的补强性能。通过对白炭黑表面特性，聚合物-填料相互作用的系统研究和对混炼工艺的优化，白炭黑作为主填料替代炭黑，已应用于"绿色轮胎"胎面胶中。Michelin公司在1992年公开了相关专利。自此，沉淀法白炭黑在轮胎中的应用蓬勃发展，不仅局限于胎面胶，在轮胎的其他部位也都有白炭黑的身影。

在过去的20年中，细粒子填料的补强研究以及新型填料的发明应用均得到了广泛关注。但炭黑与白炭黑仍然是橡胶工业中最为主要的两种填料，因此本书主要围绕这两种填料及其衍生产品进行论述。