1、前言
我國是世界耗膠大國，2006年耗膠量為450萬(wàn)噸，居世界首位預計到2010年耗膠量將達到600萬(wàn)噸，仍穩居世界首位。我國也是世界輪胎制造大國，2006年生產(chǎn)輪胎2.8億條，僅次于美國，居世界第二位預計到2010年，輪胎產(chǎn)量將達到3.2億條，將超過(guò)美國，居世界首位。其他非輪胎橡膠制品耗膠量達165萬(wàn)噸，占世界20%，幾乎相當于美國和日本的總和。力車(chē)胎（自行車(chē)胎）、膠鞋產(chǎn)量均居世界首位。膠管、膠帶和乳膠制品產(chǎn)量均居世界前列。
橡膠工業(yè)大量使用粉體材料作為填充劑，其用量?jì)H次于橡膠耗用量。補強填充劑能提高橡膠制品的強度，使制品有良好的耐磨耗、耐撕裂、耐寒、耐熱、耐油、耐化學(xué)腐蝕等性能，延長(cháng)制品使用壽命。非補強填充劑主要起填充增容作用，有時(shí)也兼有隔離、脫摸或著(zhù)色作用，有利于膠料的加工操作。微米級非補強型填充劑經(jīng)過(guò)表面化學(xué)改性具有半補強性能納米級（粒徑為1～100nm）填充劑由于粒徑極小，比表面積很大，用于橡膠制品使之具有高強度、高韌性、高比熱、高電導率和高磁化率等寶貴特性。
近年來(lái)由于石油價(jià)格猛漲，使得以石油產(chǎn)品為原料的合成橡膠、橡膠配合劑的價(jià)格上漲，大大增加了橡膠制品的生產(chǎn)成本，對橡膠工業(yè)的發(fā)展起了不利的影響。為了擺脫原料對石油資源的依賴(lài)，促進(jìn)橡膠工業(yè)持續、穩定、協(xié)調發(fā)展，開(kāi)發(fā)非石油資源的橡膠配合劑是橡膠原材料發(fā)展的方向。
2．橡膠工業(yè)用粉體材料
在橡膠制品中粉體材料主要用作填充劑。
應用最廣泛，用量最大的是炭黑和白炭黑，它們的粒徑范圍在納米級（1～100nm）和亞微米級（101～500nm）。爐法和槽法生產(chǎn)的炭黑，粒徑均為納米級熱裂法生產(chǎn)的炭黑，粒徑為亞微米級。白炭黑粒徑均為納米級，氣相法白炭黑粒徑范圍3～40nm，沉淀法白炭黑粒徑范圍16～100nm。
炭黑的成份90～99%是元素碳，其余是少量揮發(fā)份和水分。在生產(chǎn)過(guò)程中其表面吸附或結合了少量羧基、醌基、酚基、內酯基等化學(xué)基團。早年曾經(jīng)認為炭黑的補強效能僅取決于其粒徑（或比表面積）大小及結構性，而與其表面化學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)。近年來(lái)大量研究結果表明，炭黑粒子表面的化學(xué)基團在混煉過(guò)程中能與橡膠起化學(xué)反應，使結合膠增加，進(jìn)而增進(jìn)了硫化膠的力學(xué)性能和耐老化性能。2006年，全世界炭黑耗用量為860萬(wàn)噸，我國為175萬(wàn)噸，占世界耗用量的20.3%。預計到2010年世界炭黑耗用量將達1010萬(wàn)噸，我國為225萬(wàn)噸，占世界耗用量的22.3%。
白炭黑主要用作白色或淺色橡膠制品補強劑，也可用于黑色橡膠制品。其補強性能遜于炭黑，其粒子表面化學(xué)基團與炭黑完全不同。氣相法白炭黑表面含有硅醇基si-oh，沉淀法白炭黑表面含有硅醇基si-oh，也有ho-si-oh。氣相法白炭黑表面呈酸性，沉淀法白炭黑表面呈酸性或呈堿性。呈酸性會(huì )遲延膠料硫化速度，呈堿性則會(huì )加快硫化速度。白炭黑表面微孔多，吸濕性強，對補強不利。用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性，能改善其補強性能。2006年我國白炭黑耗用量為20.2萬(wàn)噸2010年白炭黑需求量將達27萬(wàn)噸。
非補強型填充劑 這類(lèi)填充劑主要品種為天然非金屬礦物粉體材料，如含水合硅酸鋁的陶土，含碳酸鈣的石灰石粉、大理石粉、白堊粉、貝殼粉，含碳酸鈣鎂的白云石粉，含硅酸鎂的硅灰石粉、滑石粉、海泡石粉、石棉粉，含硅酸鋁鉀的長(cháng)石粉、云母粉，含硅酸鋁鎂鈉的凹凸棒土粉，含二氧化硅的硅粉、硅土粉、硅藻土粉、蛋白頁(yè)巖粉，含硫酸鋇的重晶石粉，含硫酸鈣的石膏粉，含無(wú)定形碳的細煤粉，含硅酸鋁碳的煤矸石粉以及含硅酸鋁的累托石粉、粉煤灰等。這類(lèi)填充劑在橡膠制品中的用量如以耗較量為100計，約占25（其中陶土為9，碳酸鈣為4，其余為12）。2006年，我國耗膠量為450萬(wàn)噸，耗用陶土約40.5萬(wàn)噸，碳酸鈣18萬(wàn)噸，其他非礦粉體材料約54萬(wàn)噸。預計到2010年，耗較量將達600萬(wàn)噸，陶土需求量為54萬(wàn)噸，碳酸鈣需求量為24萬(wàn)噸，其他非礦粉體材料需求量為72萬(wàn)噸
粉體材料大量用于橡膠工業(yè)，主要用作填充劑。炭黑和白炭黑是補強型填充劑，雙相炭黑綜合了兩者的應用特性，已經(jīng)在大型輪胎生產(chǎn)中使用。非金屬礦物粉體材料是非補強型填充劑，他們的作用是能改善加工工藝，降低生產(chǎn)成本。對微米級、亞微米級的這類(lèi)材料進(jìn)一步超細納米化或進(jìn)行表面化學(xué)改性處理，就可以升級為補強型填充劑。為了擺脫橡膠配合劑原料對石油資源的依賴(lài)，應當著(zhù)力開(kāi)發(fā)非石油資源的橡膠配合劑，逐步替代以石油產(chǎn)品為原料用化學(xué)方法合成的橡膠配合劑。
3.粉體材料發(fā)展趨勢
3.1 補強型填充劑高性能化
為了滿(mǎn)足高性能輪胎胎面膠性能要求，新開(kāi)發(fā)出粒徑極小，比表面積很大的超高結構炭黑eb-109，與原有炭黑相比具有低的滾動(dòng)阻力，高的耐磨性和優(yōu)良的抗濕滑性，是很有前途的高性能輪胎胎面膠用炭黑。
近十年來(lái)開(kāi)發(fā)成功的另一個(gè)新品種是雙相炭黑，即采用共汽化法（干法）或在炭黑淤漿中加入硅酸鈉加水分解（濕法）制得。前者為csdp補強劑，是白炭黑分散于炭黑中，表面有細微的缺陷部后者為scc補強劑，是涂白炭黑的炭黑。填充csdp的膠料有良好的防濕滑性能和低的滾動(dòng)阻力，但耐磨性差填充scc的膠料在高溫區的tanδ數值低，在低溫區的tanδ數值高，用于輪胎胎面有良好的綜合性能。
3.2 非補強型填充劑功能化
非金屬礦物粉體材料加入橡膠主要作用是改善加工工藝和降低生產(chǎn)成本，對橡膠沒(méi)有補強作用，故歸入非補強型填充劑一類(lèi)。對細度達到微米級和亞微米級的這類(lèi)填充劑進(jìn)行表面化學(xué)改性，即可使其具有半補強或補強功能。典型的例子是：
（1）用脂肪酸對超細碳酸鈣進(jìn)行表面化學(xué)改性，使其粒子表面形成脂肪酸鈣，能均勻分散在橡膠中，
增加橡膠與碳酸鈣顆粒表面的濕潤程度，從而顯著(zhù)提高其對橡膠的補強效果。這類(lèi)產(chǎn)品日本稱(chēng)之為“白艷華”，其補強性能可與白炭黑媲美。
（2）硅酸鋁礦粉經(jīng)超細粉碎，用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面化學(xué)改性制得的橡膠補強劑6851系列產(chǎn)品，其補強效能接近半補強炭黑，可部份替代半補強炭黑用于各類(lèi)橡膠制品。在乙丙橡膠中可部份替代快壓出爐黑，膠料物理性能變化不大，耐熱性能提高，工藝性能良好。突出的優(yōu)點(diǎn)是在保持原配方膠料性能的基礎上能大大降低生產(chǎn)成本。
3.3 粉體材料納米化
納米材料是一種既不同于晶態(tài)，又不同于非晶態(tài)的第三類(lèi)固體材料，通常指三維空間尺寸至少有一維處于納米量級（1～100nm）的固體材料。與常規材料相比，納米材料具有高強度、高韌性、高比熱、高熱膨脹系數、高電導率、高擴散率和高磁化率等寶貴特性。
爐法、槽法炭黑和白炭黑粒徑都在納米量級，均為納米材料，對橡膠有顯著(zhù)的補強作用。如將非金屬礦物粉體材料納米化，理論上也能具備炭黑、白炭黑那樣的補強性能。
高分子材料（橡膠、塑料）使用納米材料的難點(diǎn)在于：用現有的工藝裝備加工技術(shù)無(wú)法實(shí)現納米材料在復合材料中以納米形態(tài)分散，這是由于納米顆粒已接近分子、原子尺寸，范德華力和分子間力使之容易
團聚。用電子顯微鏡觀(guān)察混煉膠中炭黑分散可清楚看到炭黑聚集態(tài)存在。要真正實(shí)現納米形態(tài)分散，還需要多方面努力。在天然膠乳和合成膠乳中混入納米材料，再凝固成干膠以及在微米、亞微米顆粒表面包復納米材料有一定效果。一旦納米分散難點(diǎn)取得突破，納米材料的應用將開(kāi)創(chuàng )一個(gè)新的時(shí)代。
3.4 原料非石油資源化
目前合成橡膠和許多配合劑原料對石油資源的依賴(lài)性很大。石油是不可再生的能源，總有一天會(huì )消耗殆盡。目前石油價(jià)格猛漲對橡膠工業(yè)沖擊很大。減小和擺脫這種依賴(lài)性是廣大科技人員應當下工夫解決的大問(wèn)題。
今年四月在上海召開(kāi)的“2007中國輪胎技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)應用研討會(huì )”上，dr.s.n. chakravarty報告了一項俄羅斯和印度合作開(kāi)發(fā)的成果“新型非石油資源橡膠補強劑shungit”很值得關(guān)注，這是一種天然的含碳30%和硅酸鹽70%的球狀分層物質(zhì)，細度在納米級，用于輪胎和各類(lèi)非輪胎制品可部份或全部替代炭黑和白炭黑，目前俄羅斯已在輪胎和非輪胎橡膠制品中投入使用。在我國也開(kāi)始了應用試驗工作，一旦試驗成功，市場(chǎng)前景是可觀(guān)的。
4.結語(yǔ)
