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第四章 填充补强体系 第一节 橡胶填充补强体系概述 第二节 炭黑的品种与性质 第三节 炭黑对橡胶的补强作用 第四节 炭黑与橡胶的工艺性能 第五节橡胶补强作用的机理 第六节 矿物及纤维填料 第一节 橡胶填充补强体系概述 填料是橡胶工业的主要原料之一，属粉体材料。填料用量相当大，几乎与橡胶本身用量相当。含有填料的橡胶是一种多相材料。填料能赋与橡胶许多宝贵的性能。例如，大幅度提高橡胶的力学性能，使橡胶具有磁性、导电性、阻燃性、彩色等特殊的性能，使橡胶具有好的加工性能，降低成本等作用。 炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料。可以毫不夸张地说，没有炭黑工业便没有现代蓬勃发展的橡胶工业。炭黑耗量约占橡胶耗量的一半。许多无机填料主要来源于矿物，价格较低，它们的应用范围也越来越广泛。在橡胶工业中它们的用量几乎达到了与炭黑相当的程度。特别是近来无机填料表面改性技术的研究与应用，使无机填料的应用领域更加广泛。填料性质对于填充聚合物体系的加工性能和成品性能具有决定性的影响。 一、补强及填充的意义 补强剂是指能使橡胶的拉伸强度(tensile strength)、撕裂强度(tear strength)及耐磨耗性(abrasion resistance)同时获得明显提高的一类填料。目前使用的补强剂通常也使橡胶的其它性能发生变化，如硬度的提高、定伸应力的提高，而且还常常产生一些不良副作用，如应力松弛性能变差、弹性下降、滞后损失大、压缩永久变形增大等。橡胶工业中用的补强剂主要及炭黑和白炭黑。 填充剂可起到增大体积、降低成本，改善加工工艺性能，如减少半成品收缩率、提高半成品表面平坦性、提高硫化胶硬度及定伸应力等作用。最常用的填充剂主要是无机填料，如陶瓷、碳酸钙、滑石粉、硅铝炭黑。 我国橡胶工业中习惯把补强作用的炭黑称为补强剂，把基本没有补强作用的无机填料称为填充剂。补强剂和填充剂统称为填料。 当然，对某一种填料往往是两种作用兼有，其中一种作用为主，例如陶土加到SBR中主要是填充作用，但也有一定的补强作用。 二、补强与填充的发展历史 橡胶工业中填料的历史几乎和橡胶的历史一样长。在Spanish时代亚马逊河流域的印第安人就懂得在胶乳中加入黑粉，当时可能是为了防止光老化。后来制做胶丝时曾用滑石粉做隔离剂。在Hancock发明混炼机后，常在胶中加入陶土、碳酸钙等填料。1904年S.C.Mote用炭黑使天然橡胶的强度提高到28.7MPa但当时并未引起足够的重视，一段时间后，人们才重视炭黑的补强作用。 世界上公认我国最早生产炭黑。古代我国称炭黑为“炱”，距今三千多年前殷代甲骨文就用烟“炱”制成墨的记载。三国时，魏国曹植就有“墨出于青松之烟”的记载。明代学者宋应星在1637年所著的(天工开物)一书中记述了我国古代生产炭黑的烟窑结构。国外制造炭黑是由我国传入的。直到1872年世界才开始工业化生产炭黑，同时也出现了“炭黑”这一术语。 炭黑的补强性不仅使它得到了广泛应用，而且也促进了汽车工业的发展。二战前槽黑占统治地位，50年代后各国用炉黑代替了槽黑、灯烟炭黑，炉黑生产满足了轮胎工业发展的要求。70年代在炉黑生产工艺基础上进行改进，又出现了新工艺炭黑。这种炭黑的特点是在比表面积和其他炭黑相同的条件下，耐磨性提高了5％~20％，进一步满足了子午线轮胎的要求。目前，全球性轮胎业面临的主要问题是要求在保持良好耐磨性的同时，降低轮胎的滚动阻力和对干、湿路面具有较高抓着力。如何使炭黑适应这种要求，是炭黑工业面临的重要课题。 1991年我国炭黑产量达320kt，1989年全世界炭黑总耗量达6.1Mt，几乎占橡胶年消耗量的一半。 1939年首次生产了硅酸钙白炭黑，1950年发明了二氧化硅气相法白炭黑，近年来无机填料发展也很快，主要在粒径微细化、表面活性化、结构形状多样化三个方面。从填料来源看对工业废料的综合利用加工制造填料发展也较快。 第二节 炭黑的品种与性质 炭黑是橡胶工业的主要助刘，它作为橡胶制品的补强填料，其消耗量约为生胶消耗量的一半。橡胶工业用炭黑占炭黑总产量的93~94％。炭黑品种目前已有四十多种，其中用于橡胶工业的就有三十多种。由此可见炭黑在橡胶工业中所占地位之重要。 炭黑在国外的工业化生产是从l 875年开始的。在1904年就发现了细粒子炭黑对橡胶有补强作用，1910年开始正式用于橡胶工业中。当时炭黑品种是以天然气为原料生产的灯烟炭黑以及槽法炭黑，品种很少，直至1943年后，才逐渐改用石油产品为原料，生产炉法炭黑。由于炉法发黑原料易得，收率高，成本低，质量好，因而得到迅速发展，超过了槽法发黑的生产。 一、炭黑的品种 以前炭黑分类有按制法分，也有按作用分，后来发展了ASTM-1765这种新的分类方法。这种方法的出现结束了以前分类混乱、缺乏科