本文所述功能性非金屬礦物材料，主要指的是在橡膠制品中具有補強和增容雙層功能的非金屬礦物材料，對于橡膠而言，在其加工過(guò)程中加入適量的某種有機或者無(wú)機填充材料（簡(jiǎn)稱(chēng)填料）是非常重要的。它不但能夠改善硫化橡膠的物理——力學(xué)性能，改善膠料的工藝性能且能降低加工成本。
填料的品種很多，按其在橡膠制品中所起的作用表現可分為兩大類(lèi)：即補強性填料和增容性填料。補強性填料是一種功能性填料，習慣上稱(chēng)為補強劑，它在橡膠加工中可以有效地改善和提高制品的物理力學(xué)性能——邵爾硬度、定伸應力、拉伸強度、撕裂強度、磨耗減量、絕緣電阻率等；而增容填料的主導作用則是增加制品的容積、節約膠料、降低加工成本，習慣上稱(chēng)之為增容劑或填充劑。
填料的補強性和填充性不能截然分開(kāi)。通常，補強劑也有增容的作用，填充劑也有一定的補強作用。特別是生橡膠種類(lèi)的不同，更使二者之間的界限難以區分。值得指出的是：在填料品種相同的情況下，填料的粒徑非常重要。例如一般填料級碳酸鈣（CaCO3）粉體在橡膠制品中并不起補強作用，而超細級碳酸鈣（CaCO3）有著(zhù)明顯的補強作用。煅燒高嶺土、滑石粉、云母粉、粉石英等亦有類(lèi)似現象。
補強劑和填充劑對膠料的加工工藝性能及硫化橡膠的物理-力學(xué)性能與化學(xué)性能的影響，決定于補強劑和填充劑的物質(zhì)組成與化學(xué)結構及物理化學(xué)性質(zhì)。物理化學(xué)性質(zhì)主要包括其粒子的大小與分布、結構、表面自由能等。此外，其在制品中的用量也起著(zhù)重要作用。
眾所周知，炭黑-系石化副產(chǎn)品，因原料及工藝的不同可以分為爐法炭黑、槽法炭黑、熱裂法炭黑等品種。炭黑是橡膠制品中最常用和最重要的補強劑，因為炭黑里不僅對橡膠制品有顯著(zhù)的補強作用，而且其具有選擇性和針對性。即不同的炭黑品種有不同的補強作用，即使是同一種炭黑對不同的膠料其補強效果也有所不同，這里不作為議題進(jìn)一步討論。本文將側重探討的是相關(guān)功能性非金屬礦物材料在橡膠制品中的應用和作用（見(jiàn)表1）：
 1 高嶺土介紹
高嶺土（商品名稱(chēng)陶土或瓷土），是指以高嶺石族礦物（高嶺石、地開(kāi)石、珍珠石）為基本組成的粘土巖，其化學(xué)結構通式為Al4[Si4O10] (OH)8 單斜或三斜晶系晶體在電子顯微鏡下可見(jiàn)呈細小的假六方片狀，通常稱(chēng)土狀塊體產(chǎn)出。純白者少見(jiàn)，多因含有機物等各種染質(zhì)而呈現不同顏色，硬度1 左右，比重2.6。高嶺土由于成因不同可分為軟質(zhì)高嶺土和硬質(zhì)高嶺土，它們都是價(jià)廉易得的橡膠填充劑。添加高嶺土能夠提高膠料的粘性和鏈性，減少硫化收縮率，超細活性高嶺土是丁苯橡膠（SBR）等良好的補強劑。
煤矸石系煤系地層高嶺土，屬于硬質(zhì)高嶺土，我們以某地煤矸石為原料經(jīng)過(guò)煅燒脫羥——超細粉碎——偶聯(lián)活化開(kāi)發(fā)研制的SD-1 型、SD-4 型活性功能礦物填料。產(chǎn)品經(jīng)國家權威檢測單位進(jìn)行應用試驗，兩種型號的活性功能礦物填料均可以部分替代價(jià)格昂貴的炭黑用于橡膠制品。其主要硫化物理機械性能符合技術(shù)指標要求，且電阻系數等指標優(yōu)于普通橡膠。（見(jiàn)表2）
 測試結果表明：10～30 份SD-1 型、SD-4 型功能礦物填料可以取代5～15 份高耐磨爐法炭黑用量（取代比為2：1），其硫化物理機械性能良好，有關(guān)物性指標均達到或超過(guò)運動(dòng)鞋一級用膠國家標準（GB-385-83）。以活性功能礦物填料部分取代價(jià)格昂貴的炭黑用于橡膠制品，可大幅度的降低生產(chǎn)成本。
2 云母介紹
云母，系云母族礦物的總稱(chēng)，這里探討的主要是白云母、絹云母，其化學(xué)式KAl2［AlSi3O10］（OH）2，及人工合成云母KMg3［AlSi3O10］F2。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟的發(fā)展，云母這種片狀結構的率硅酸鹽礦物在橡膠制品中的應用愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注。云母作為填料使用，可以提高硫化膠的耐熱性、耐酸性和電絕緣性（用于高絕緣制品）以及尺寸穩定性，還有防護紫外線(xiàn)和放射性輻射的功能，尤其是在特種橡膠中發(fā)揮的作用更是其他填料無(wú)法比擬的?，F就其具有代表性的部分成果介紹如下：
2.1 云母在硅橡膠高阻尼材料中的應用
隨著(zhù)高分子阻尼材料在軍用產(chǎn)品和民用產(chǎn)品上的廣泛應用，橡膠阻尼材料，特別是硅橡膠高阻尼材料的研究越來(lái)越受到人們的重視。其中相關(guān)研究發(fā)現，片狀云母粉能使材料獲得高的阻尼性能，大幅提高其損耗模量和損耗因數。因此，通過(guò)填充片狀云母粉可制備阻尼硅橡膠。北京航空材料研究院的涂春潮等人研究了云母粉用量，乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）用量以及硫化溫度對云母/硅橡膠復合材料硫化特性和力學(xué)性能的影響，并最終確定了理想配方：
硅橡膠生膠 100 份 氣相法白炭黑 20 份
羥基硅油 1 份 云母粉 40 份
A-151 2 份 硫化劑（BIPB） 0.6 份
當硫化溫度為170℃時(shí)，硅橡膠的力學(xué)性能最好，拉伸強度可達4.43 MPa，其綜合實(shí)驗結果甚為理想，為云母粉在該領(lǐng)域中的應用奠定了良好的基礎。
2.2 絹云母在順丁橡膠中的應用
導熱橡膠是導熱性能優(yōu)良的一類(lèi)橡膠基復合材料，通常導熱性能的提高會(huì )伴隨著(zhù)散熱性能的優(yōu)化。導熱橡膠廣泛用于航天、航空、電子、電器領(lǐng)域需要散熱和傳熱的部位，同時(shí)可起絕緣和減震的作用。通用橡膠為熱和電的不良導體，其中天然橡膠、丁苯橡膠和氯丁橡膠的熱導率分別為0.21,0.19 和0.21W·（M·K）-1，而合成新的本征型導熱橡膠絕非易事。南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陶慧等人選用片狀結構的絹云母作為功能性填料用于順丁橡膠制備導熱材料取得良好效果。因為絹云母除了對非自補強型橡膠具有良好的補強作用外，還具有良好的耐熱性、電絕緣性及優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性，其熱導率［0.42～0.67W·（M·K）-1］，在無(wú)機填料中較高，為提供橡膠的導熱性提供了有效途徑。
研究者為了解決極細鱗片狀絹云母粉體在膠材料中的分散問(wèn)題，采用硬脂酸為表面活化劑對絹云母進(jìn)行改性處理，有效地提高了粉體與橡膠界面的結合能力，并對改性絹云母粉的用量進(jìn)行了反復試驗，使之在有利于改善加工工藝，提高制品性能的前提下優(yōu)化了最佳填充量，其研究成果為絹云母在高溫絕緣等特種橡膠的應用提供了重要依據。
2.3 合成云母及其合成云母粉在橡膠中的應用
所謂合成云母就是人們依據天然云母的物質(zhì)組成、結構形態(tài)、晶體特征和析晶條件等而設計制造的層片狀鋁硅酸鹽化合物，其化學(xué)通式為：KMg3［AlSi3O10］F2，目前，合成云母普遍采用的是電阻內熱高溫熔制法，該法技術(shù)工藝已進(jìn)入成熟階段，產(chǎn)品亦達多種。合成云母不僅可作為天然云母的替代品得到應用，而更為重要的是由于合成云母具有純凈度高、透明性好、耐溫性強、抗腐蝕和電絕緣性能優(yōu)異的特征，作為一種具有特殊功能的新型材料正在進(jìn)行廣泛而深入的開(kāi)發(fā)。歐、美、日等經(jīng)濟發(fā)達國家都把合成云母的研究與開(kāi)發(fā)視為新世紀科學(xué)戰略方向而加以重視。用合成云母制成的新型功能材料和高端產(chǎn)品正廣泛應用于國防工業(yè)和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。
在橡膠工業(yè)中，云母粉作高強電絕緣的耐熱、耐酸、耐堿的功能性填充劑，汽車(chē)輪胎內、外胎之間的接觸潤滑劑。目前，國內的研究主要集中在改善橡膠的氣密性、物理機械性能、絕緣性能和減震隔音性能等。
如華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的吳麗娟、羅權琨等采用機械共混的方法研究了人造濕磨法云母粉代替部分炭黑用于丁腈橡膠（NBR）的補強效果。結果表明：在研究范圍內，人造濕磨法云母粉（改性或未改性）代替部分炭黑填充丁腈橡膠，對其硫化特性和耐油性影響不大。對硫化膠有一定的補強作用，能提高其屈撓性能和耐熱老化性能（改性云母粉明顯好于未改性云母粉）。德墨西亞曲撓次數從0.8 萬(wàn)次可增加至4.6 萬(wàn)次，老化后拉伸強度保持率從86%可提高到99.1%，達到試驗效果。但對耐磨性能和高溫壓縮永久變形性能等指標有待進(jìn)一步改善和提高。
3 滑石及滑石粉在橡膠中的應用
滑石的化學(xué)通式為Mg3［AlSi4O10］（OH）2，成分的理論值為：MgO 31.72%、SiO2 63.52%、H2O 4.76%。純凈的滑石為白色，單由于含有少量的其他雜質(zhì)常呈現出淺黃、淺綠、淺褐、粉紅等不同顏色。自然界滑石多為葉片狀或致密塊狀集合體，硬度為1，相對密度2.58～2.83。具有滑膩感，有良好的潤滑性，解理薄片具撓性，單不具彈性。
在橡膠工業(yè)中滑石粉有提高耐電壓的效果，常作為橡膠的填充劑、增容劑和隔離劑。尤其用于耐酸、耐堿、耐熱及絕緣橡膠制品中為佳。值得指出的是，填充劑的粒子形狀對電絕緣性能，特別是介電強度影響較大。例如片狀滑石粉填充膠料的介電強度為46.7Mv/m，而針型纖維狀的礦石粉僅為20.4 Mv/m。因為片狀填料在絕緣橡膠中能形成防止擊穿的屏障，使擊穿路線(xiàn)不能自線(xiàn)進(jìn)行，所以片狀的滑石粉介電強度最高。
在橡膠制品中選用片狀滑石粉與煅燒陶土等填料配合使用可以起到更好的效果，如中橡集團株洲橡膠塑料工業(yè)研究設計院郭舜華等人在BIIR 大輸液瓶塞的研究中為了滿(mǎn)足瓶塞生物惰性好，針刺后能自動(dòng)密封和落屑少的要求，采用煅燒陶土和改性滑石粉（硅烷偶聯(lián)劑改性）并用作補強填充劑，并通過(guò)實(shí)驗確定煅燒陶土/改性滑石粉并用比例為60/15 為最佳值。實(shí)踐證明：以陶土/改性滑石粉并用填充料補強效果好，制品合格率高，其成果為復合無(wú)機礦物填料的開(kāi)發(fā)應用起到示范作用。
4 硅藻土在橡膠制品中的應用
硅藻土是一種生物成因的白色或淺黃色粉狀硅質(zhì)巖（SiO2）,它是由古代硅藻遺體構成，硅藻含量可達70～90%。當硅藻遺體被破壞，巖石成板狀者，稱(chēng)為板狀硅藻土。硅藻土主要礦物成分為蛋白石（非晶質(zhì)二氧化硅），常有碳酸鹽或粘土礦物混入，呈現黃或淺黃色，質(zhì)輕而軟，松散密度0.3～0.5g/cm3，莫氏硬度為1.0～1.5，孔隙率為80～90%，是一種天然的優(yōu)質(zhì)吸附劑。
在橡膠工業(yè)中硅藻土可用作天然橡膠、合成橡膠的補強填充劑，增強硫化膠的物理機械性能。尤其是在淺色橡膠制品中應用，可替代補強劑白炭黑或者部分取代炭黑的作用。能使硫化膠體現比較理想的硫化特性，良好的物理機械性能。據悉，重慶橡膠研究所和阜新橡膠有限責任公司在黑色膠料和白色膠料中分別填加硅藻土進(jìn)行試用，其結果表明：硅藻土對橡膠有良好的補強填充功能。尤其在無(wú)污染的淺色橡膠制品中，其補強性能與白炭黑相當，硅藻土與白炭黑并用補強效果更好。以上并且操作加工容易，有利于炭黑在膠料中分散，壓出來(lái)的膠料表面光滑、粘度提高、收縮減少、縮短硫化時(shí)間、減少硫化促進(jìn)劑的用量、還能降低生產(chǎn)成本，從而使企業(yè)獲得提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本的良好效果。
結語(yǔ)：綜上所述，功能性非金屬礦物材料——活性陶土、云母粉、滑石粉、硅藻土等等在橡膠制品中作為補強劑和增容劑，不僅資源豐富、來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、而且收效明顯。功能性礦物填充材料，尤其是復合型功能性填充材料在我國橡膠工業(yè)中將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
作者：傅東1，劉志勇2（1. 河北省石家莊礦產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)部，河北 石家莊 050086； 2.靈壽縣華晶云母有限公司，河北 靈壽 050502）
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