橡胶工艺原理讲稿第三章补强与填充体系

第三章补强与填充体系

§3-1 绪论

填料是橡胶工业的主要原料之一，它能赋予橡胶许多优异的性能。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，赋予橡胶良好的加工性能，降低成本等。

一．何谓补强与填充？

补强：在橡胶中加入一种物质后，使硫化胶的耐磨性、抗撕裂强度、拉伸强度、模量、抗溶胀性等性能获得较大提高的行为。凡具有这种作用的物质称为补强剂。

填充：在橡胶中加入一种物质后，能够提高橡胶的体积，降低橡胶制品的成本，改善加工工艺性能，而又不明显影响橡胶制品性能的行为。凡具有这种能力的物质称之为填充剂。

二．填料的分类

填料的品种繁多，分类方法不一。填料按不同方法分类如下：

（1）按作用分

补强剂：炭黑、白炭黑、某些超细无机填料等。

填充剂：土、碳酸钙、胶粉、木粉等。

（2）按来源分

有机填充剂：炭黑、果壳粉、软木粉、木质素、煤粉、树脂等。

无机填充剂：土、碳酸钙、硅铝炭黑等。

（3）按形状分

粒状：炭黑及绝大多数无机填料。

纤维状：石棉、短纤维、碳纤维、金属晶须等。

三．橡胶补强与填充的历史与发展

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。后来制作胶丝时曾用滑石粉作隔离剂。

在Hancock发明混炼机后，常在橡胶中加入土、碳酸钙等填料。

1904年，S. C. Mote用炭黑使橡胶的强度提高到28.7MPa，但当时并未引起足够的重视。在炭黑尚未成为有效补强剂前，人们用氧化锌作补强剂。一段时间后，人们才重视炭黑的补强作用。

我国是世界上生产炭黑最早的国家。1864年美国开始研制炭黑。1872年世界才实现工业规模的炭黑生产。炭黑的补强性不仅使它得到广泛的应用，而且也促进了汽车工业的发展。二战前槽黑占统治地位，50年代后用炉黑代替槽黑、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传统炭黑相同的条件下，耐磨性提高了5%~20%，进一步满足了子午线轮胎的要求。

美国大陆碳公司在八十年代末开发生产出低滚动阻力炭黑，即LH10、LH20、LH30等，其拉伸和耐磨性能相当于N110、N220、N330的水平，但生热低、弹性高。

德国德固萨公司也开发出新一代低滚动阻力炭黑，称之为“转化炭黑”。牌号有EB118、EB122、EB111和EB123。特点是：物理化学性能与常规炭黑相似，但着色强度低，聚集体大小分布宽，这样不仅可以减小滚动阻力，而且不会改变其耐磨性和对湿路面的抗滑性。

据统计，1998年我国炭黑企业约80家，总的年生产能力约800kt，全国炭黑产量为570kt。1997年国外炭黑总产量为5959kt。

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，近年来无机填料的发展也很快，主要表现在粒径微细化、表面活性化、结构形状多样化三方面。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。

四．本章容与要求：

1．炭黑的生产、分类与命名（了解）

2．炭黑的组成与结构（掌握）

3．炭黑的物理和化学性质（掌握）

4．炭黑对橡胶的补强作用（掌握）

5．炭黑对橡胶工艺性能的影响（掌握）

6．炭黑的补强机理（了解）

7．白炭黑的补强（掌握）

8．短纤维的补强（了解）

9．矿质填料的表面活化与偶联剂（掌握）

五．本章主要参考书：

1．橡胶化学与物理，第十章

2．Science and Technology of Rubber, Chapt. 8.

3．炭黑，J.B.道奈等著，王梦蛟等译，化工。

4．弹性体的力学改性

§3-2 炭黑的生产、分类和命名

一．炭黑的定义

炭黑是由许多烃类物质（固态、液态或气态）经不完全燃烧或裂解生成的。它主要由碳元素组成，其微晶具有准石墨结构，且呈同心取向，其粒子是近乎球形的粒子，而这些粒子大都熔结成聚集体。

二．炭黑的分类

炭黑是橡胶工业的主要补强剂。为适应橡胶工业的发展要求，人们开发了五十余种规格牌号的炭黑。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、缺乏科学表征炭黑的状况，但其缺点是没有反映出炭黑的结构度。炭黑的几种分类方法分述如下。

1．按制造方法分

（1）接触法炭黑：接触法炭黑，其中包括槽法炭黑、滚筒法炭黑和圆盘法炭黑。

槽法炭黑转化率大约为5%。其特点是含氧量大（平均可达3%），呈酸性，灰分较少（一般低于0.1%）。

（2）炉法炭黑：

炉法炭黑的特点是含氧量少（约1%），呈碱性，灰分较多（一般为0.2%~0.6%），这可能是由于水冷时水中矿物质带来的。

（3）热裂法炭黑：转化率30%~47%。炭黑粒子粗大，补强性低，含氧量低（不到0.2%），含碳量达99%以上。

（4）新工艺炭黑：新工艺炭黑的聚集体较均匀，分布较窄，着色强度比传统的高十几个单位，形态较开放，表面较光滑。N375、N339、N352、N234、N299等均为新工艺炭黑。

2．按作用分：

硬质炭黑：粒径在40nm以下，补强性高的炭黑，如超耐磨、中超耐磨、高耐磨炭黑等。

软质炭黑：粒径在40nm以上，补强性低的炭黑，如半补强炭黑、热裂法炭黑等。

这种分类方法比较粗略，主要是根据炭黑的性质及对橡胶的补强效果来分类命名的。

3．按ASTM标准分类

我国在80年代开始采用美国ASTM-1765-81分类命名法。该命名法由四个字组成，第一个符号为N或S，代表硫化速度。其中N表示正常硫化速度；而S表示硫化速度慢。N及S符号后有三个数，第一位数表示炭黑的平均粒径围；第二位和第三位数无明确意义，代表各系列中不同牌号间的区别。其粒径按电镜法测得的数据划分为10个围，橡胶用炭黑粒径围在11-500nm之间，表3-2是橡胶用炭黑的分类命名。

表3-2 橡胶用炭黑粒径分类

ASTM 系列粒径围

nm

典型炭黑品种

ASTM名称英文缩写中文名称1~10

N100 11~19 N110 SAF 超耐磨炉黑

N200 20~25 N220 ISAF 中超耐磨炉黑

N300 26~30 N330 HAF 高耐磨炉黑

N400 31~39 N472 XCF 特导电炉黑

N500 40~48 N550 FEF 快压出炉黑

N600 49~60 N660 GPF 通用炉黑

N700 61~100 N765 SRF-HS 高结构半补强炉黑

N800 101~200 N880 FT 细粒子热裂法炭黑

N900 201~500 N990 MT 中粒子热裂法炭黑

S200 20~25 S212 ISAF-LS-SC 代槽炉黑（中超耐磨炉黑型）S300 26~30 S315 HAF-LS-SC 代槽炉黑（超耐磨炉黑型）