改性矿物填料：橡胶工业的“补强剂”

橡胶工业的补强材料一直以炭黑为主体，约占橡胶填料总量的60%以上。然而在炭黑的制备和应用过程中存在一系列负面影响。炭黑是石油工业的副产品，成本高，使用过程中污染严重，因此，人们一直在寻求炭黑的替代品。  

安全、环保和节能是21世纪轮胎技术发展的主题。在提高轮胎性能的同时，必须要着力解决安全、环保和节能问题，为此，研究者开发了许多新型补强填料，其中多为无机补强填料，主要硅酸盐类与碳酸钙类矿物粉体。这些粉体若想在橡胶体系中获得良好的应用效果，需要解决一个普遍存在的问题就是——表面改性。  

近年来，非金属矿物表面改性技术的兴起和发展，为塑料、橡胶、纤维等高分子材料，高聚物基复合材料，功能材料以及造纸、涂料等工业填料的制备与应用开辟了更为广阔的空间，对非金属矿行业和相关行业的发展也有着十分重要的意义。非金属矿物经表面改性处理后，可以消除其表面高能势，调节其疏水性，改善其与有机基料的相容性与界面结合力，增强材料的机械强度，提高材料的综合性能，从而满足现代新材料、新技术的要求。  

非金属矿物粉体在橡胶中的应用  

高岭土  

高岭土又称瓷土，是由多种矿物组成的含水铝硅酸盐的集合体，主要有用成分是高岭石。作为补强填料，高岭土掺入橡胶后，形成有机高聚物(橡胶，基体相)-无机物(高岭土，分散相)复合材料，能改善橡胶制品的物理化学性能，如力学强度、耐磨性、稳定性、耐酸碱腐蚀性以及改善胶料的加工性能。作为橡胶补强剂，高岭土中Mn<0.1007%~0.10045%(质量百分含量)，否则会加速橡胶的老化。此外，橡胶制品对高岭土的吸附性、酸碱性及颗粒粒度也有一定的要求。高岭土经改性后，能够改善与有机高分子材料(橡胶)的交联性、提高分散性、增加承受外界负荷的有效截面，进而增强有机高分子材料制品的力学性能，功能性大幅提高，所以橡胶中改性高岭土的应用十分广泛。  

凹凸棒石  

凹凸棒石粘土，是一种含水富镁硅酸盐粘土。白色纤维状结晶，是半补强类型填料。由于表面含有极性的硅羟基，它和非极性面有机高分子的亲和性较差。对其表面进行有机改性，改善其在橡胶基体中的分散性和亲和性，可提高橡胶制品定伸应力、扯断伸长率等性能。常用的表面处理方法有偶联剂处理、表面活性剂处理和酸化处理。  

膨润土  

膨润土是以蒙脱石为主的含水粘土矿。膨润土在橡胶填料方面的应用研究，在国内与高岭土相比相对比较少。膨润土与聚合物之间的相容性差，但是经过改性处理后，可改善橡胶的气密性、定伸引力、耐磨性、防腐性、耐天候性、耐化学药品性，尤其使橡胶的强度、伸长率等性能大幅度提高，可替代白炭黑。改性膨润土填料的优点是：较炭黑、白炭黑更易与橡胶混合，并能促进其他助剂的分散，显著降低混合能耗，缩短硫化焦烧时间。解决好膨润土在橡胶中的填充量问题，是取得研究进展的关键。  

滑石  

滑石粉是水合硅酸镁的片状结晶，在橡胶中加入滑石粉，使挤出产品表面光滑。改性滑石粉是一种用硅烷处理过表面的超细片层结构，硅烷一端和滑石粉表面化学结合，另一端可参与硫化反应。经喷射碾磨，这种物理形态可以很好地平衡补强性和加工性，硫化胶的模量和抗压缩性等物理机械性能得到显著提高。  

云母  

云母粉含有多种成分，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湿磨法两种，作为橡胶补强填料的主要是湿磨法云母粉，可改善橡胶的物理机械性能、阻燃性、绝缘性、光泽等方面的性能，可用于特种橡胶制品。  

碳酸钙  

碳酸盐类无机补强填料主要为纳米级碳酸钙和改性碳酸钙。碳酸钙作为增量填料(增大体积、降低成本)在橡胶中被广泛应用。目前，碳酸钙的粒径已能粉碎到小于40nm。纳米碳酸钙大量填充在橡胶制品中，可以增加产品的体积，从而节约昂贵的天然橡胶及合成橡胶，降低橡胶制品的成本；用硬脂酸及其盐类对纳米碳酸钙进行表面改性处理，可以改善其在橡胶中的分散性，增加橡胶和钙粒子表面的湿润度。进而大幅度提高其对橡胶的补强性能。这类经表面改性处理的纳米碳酸钙。其补强性能可与白炭黑媲美。  

此外，还有煤矸石粉、海泡石粉、长石粉等。煤矸石粉为氧化硅和氧化镁的混合物，类似于高岭土，俗称硅铝炭黑，易混入橡胶，分散性好，可替代部分炭黑作为补强剂使用。海泡石粉主要用于浅色橡胶制品中，性能仅次于白炭黑。长石粉用于胶乳时能防止附聚作用且不破坏皂液性质。  

随着人们对非金属矿物特性的认识逐步深入，以及在试验和生产应用中不断总结和探索，非金属矿物表面改性技术将在表面改性剂、表面改性工艺、表面改性设备等方面得到不断的发展和突破。