橡胶材料补强配方-填料系(多孔粉石英)

橡胶材料补强配方-填料系（多孔粉石英）
1、填料及其作用
组成填充补强体系的配合剂统称为填料，是橡胶工业的主要原料之一，属于粉体材料。

填料的用量相当大，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，填料能赋予这种材料许多宝贵的性能，如大幅度提高橡胶的力学性能，使橡胶具有导电性、磁性、阻燃性、色彩等特殊性能，改善橡胶的加工工艺性能以及降低橡胶制品的成本等。

2、填料的分类
填料的种类很多，按其在橡胶中的主要作用可分为补强性填料和增容性填料。

前者的主要作用是提高橡胶制品的硬度和机械强度，如拉伸强度、定伸应力、撕裂强度，耐磨性等，称为补强剂或活性填料，如炭黑、白炭黑、多孔粉石英等；后者的主要作用则是增加胶料容积，从而节约生胶、降低成本，称为填充剂、增容剂或惰性填料，如碳酸钙、陶土、滑石粉等。

这两类填料不能截然分开，比如被列入活性填料的多孔粉石英，这种填料属于非金属硅酸盐一类，但又具有表面活性，与炭黑、白炭黑的功能有相似之处，也有相同的功能。

经实验可以替代一部分炭黑、白炭黑。

所以这种统称填料的材料也可称为补强剂，其目的：增容、补强、降低成本。

由于生胶的类型不同，也使补强剂和填充剂之间的界限难以划分。

通常以“弹性能”（扯断功）数值的大小和变化来衡量各种填料在橡胶中的补强效果，如图所示。

由图可见炭黑、多孔粉石英在相当大的用量范围内具有较好的补强效果，常称它们为补强剂；陶土和碳酸钙等补强效果小，常称它们为填充剂。

填料也可按化学成分分类无机和有机填料。

无机填料如含硅化合物，碳酸盐类、金属氧化物等；有机填料如再生胶、硫化胶粉、木粉、短纤维等；除此之外，填料还可按外形分为粉状、纤维状、片状和树脂填料等。

3、多孔粉石英
多孔粉石英属于一种火山灰沉积岩。

产品自然粒径细（0.5μm左右），颗粒分布均匀，比表面积大（8.3m2/g），外形结构近似球型无棱角状。

以电子显微镜图象看，其表面全是纳米级的介孔，平均孔径约为8.8nm（纳米）其物化性能指
标如下：
3.1多孔粉石英应用于橡胶
多孔粉石英，是橡胶工业中新型补强剂和填充剂，它是由火山灰岩石经机械磨加工而成。

目前主要通过球磨、气流磨、雷蒙磨加工法通过一定粒径的分级轮筛分制出。

外观成灰白色状，白度在70~80之间。

一般加工（造粒）直径5um 左右的粒状产品使用。

利用多孔粉石英的目的：大多数用户是为了替代一部份炭黑、白炭黑来降低生产成本。

还有一部份用户则是为了能提高橡胶制品的硬度，改善橡胶的加工性能，并能赋予制品其他的一些性能，如提高橡胶制品的使用寿命。

3.1.1多孔粉石英的物理特性：
1、多孔粉石英的物质结构：样品具有粘舌的特性，说明其吸附能力较强，
可能与样品的显微孔洞结构较为发育有关。

多孔粉石英的X射线衍射分析结果如下图2-1示：
图2-1 多孔粉石英的X射线衍射分析图谱
由图2-1多孔粉石英的X射线衍射定性分析知，样品中的主要结晶相为α石英。

图2-2多孔粉石英SEM×2000
图2-3多孔粉石英SEM×4000
图2-4多孔粉石英SEM×8000
图2-2为多孔粉石英的2000×扫描电镜像。

由图可以推断，样品主要由粒径小于2微米的细小颗粒组成。

图2-3为多孔粉石英的4000×扫描电镜像。

从2-3中更进一步印证图2-2的推断。

图2-4为多孔粉石英的8000×扫描电镜像。

图中可知样品主要由粒径为2微米以下的细小颗粒堆积组成，且细小颗粒的晶体发育似乎不是很好。

图2-5 多孔粉石英TEM像
图2-6 多孔粉石英TEM像
图2-7多孔粉石英TEM像
观察图2-5多孔粉石英的TEM像，发现在部分样品颗粒边界（表面）存在纤维状的结构；图2-6为多孔粉石英在更高倍率下的SEM像，可推测该样品颗粒的边界形状并不规则；在更高倍率的SEM像下，观察发现样品颗粒的不规则边界（表面）。

可以推测，样品的显微孔洞结构较为发育且结晶发育并不良好。

经镜下鉴定，结合X射线衍射分析，知多孔粉石英中主要相为微晶质二氧化硅，其次为结晶良好的石英，少量锐钛矿和有机质。

由多孔粉石英主要相的特性
（结晶发育较差、显微孔洞较为发育）可以推测，该样品应具有火山灰活性。

对多孔粉石英物理特性测试结果如下：
1、多孔粉石英表观密度：按《GB/T208-1994水泥密度测定方法》测得
该样品粉末的表观密度为2.66g/cm3；
2、多孔粉石英烧失量：参照《GB176-1996水泥化学分析方法》，测得其
烧失量为0.4%；
本研究试验中共使用了三种不同粒级的多孔粉石英样品，分别为5μD97、6.14μD97、10μD97，其中粒级为5μD97的多孔粉石英采用气流磨粉磨而成，6.14μD97采用振动磨粉磨而成，10μD97采用气流磨。

下面对以上3个粒级的多孔粉石英样品进行分别介绍：
1）5μD97粒度分布示于表2-2。

表2-2 5μD97粒度分布
粒度分布
平均直径＜0.3μm ＜0.5μm ＜1μm ＜3μm ＜5μm ＜8.06μm
百分比 6 12.71 32.5 83.5 97.1 100 1.53μm 其粒度分布与级配曲线见下图2-8及2-9：
图2-8 多孔粉石英5μD97粒度分布
图2-9多孔粉石英5μD97级配曲线
2）6.14μD97粒度分布示于表2-3。

表2-3 6.14μD97粒度分布
粒度分布
平均直径＜0.3μm ＜0.5μm ＜1μm ＜3μm ＜5μm ＜12.37μm
百分比 4.1 8.03 21.23 65.17 88.11 100 2.24μm 其粒度分布与级配曲线见下图2-10及2-11：
图2-10多孔粉石英6.14μD97粒度分布
图2-11多孔粉石英6.14μD97级配曲线
3）10μD97粒度分布：见表2-4
表2-4 10μD97粒度分布
粒度分布
平均直径＜0.3μm ＜0.5μm ＜1μm ＜3μm ＜5μm ＜21.12μm
百分比 2.11 7.23 18.04 57.16 81.12 100 2.62μm
其粒度分布与级配曲线见下图2-12及2-13：
图2-12多孔粉石英10μD97粒度分布
图2-13多孔粉石英10μD97级配曲线
3.1.2多孔粉石英的火山灰特性测定
参照《GB2847-2005-T用于水泥中的火山灰质混合材料》对该多孔粉石英样品进行火山灰特性试验，并对其火山灰性进行评价。

1、试验设备及依据：参照《GB2847-2005-T用于水泥中的火山灰质混合材
料》进行。

2、试验原材料：
（1）水泥：亚东洋房牌P·O42.5；
（2）试验用砂：符合《GBT 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》的标准砂；
（3）试验用水：饮用水；
（4）矿物掺合料：活性多孔粉石英，安徽和悦石业有限公司产，粒级分别为5μD97、6.14μD97、10μD97三种。

3、试验过程：
以粒级为5μD97、6.14μD97、10μD97的活性多孔粉石英分别按掺量为10%
等量取代水泥，进行火山灰特性试验。

基准胶砂试验配合比为：水泥450g ；标准砂1350g ；水225ml ；以不同粒级的10%活性多孔粉石英掺量等量取代水泥。

测标养试件28d 抗折及抗压强度见下表2-5。

表2-5 多孔粉石英的火山灰特性
注： ** **10表示多孔粉石英掺量为10%。

4、试验分析：
（1） 粒级为5μD97的多孔粉石英火山灰活性： R t =54.5MPa ； R 0=49.6MPa ；
则火山灰活性指数：1000
⨯=
R R A t
=111.9； （2） 粒级为6.14μD97的多孔粉石英火山灰活性： R t =49.3MPa ； R 0=49.6MPa ；
则火山灰活性指数：1000
⨯=
R R A t
=108.3； （3） 粒级为10μD97的多孔粉石英火山灰活性： R t =50.9MPa ； R 0=49.6MPa ；
则火山灰活性指数：1000
⨯=
R R A t
=102.6； （4） 多孔粉石英火山灰活性： R t =62.8MPa ； R 0=49.6MPa ；
则火山灰活性指数：1000
⨯=
R R A t
=126.6； 综上可知，所提供的样品多孔粉石英各粒级的火山灰活性都大于100，其28天水化活性接近或大于水泥本身的水化活性，其中以粒级为5μD97的多孔粉石英火山灰活性最强，达到111.9；粒级为6.14μD97的多孔粉石英火山灰活性次之，达108.3；粒级为10D97的多孔粉石英火山灰活性稍弱，为102.6，但水化活性水泥本身的水化活性基本相当；与之对比的硅灰火山灰活性为126.6。

综上述，该多孔粉石英作为混凝土的矿物掺合料其火山灰性强于粉煤灰、矿粉等传统矿物掺合料，但弱于标准的碳黑及白碳黑的活性。

由于具有显著的火山灰活性，因而可以考虑将其命名为高活性多孔粉石英。

3.1.3多孔粉石英应用于橡胶测定
表面化学活性。

在混炼过程中，多孔粉石英能够与部分橡胶分子链产生化学结合，生成不能被溶剂抽出的炭黑凝胶（或结合橡胶）。

事实证明，多孔粉石英表面具有化学活性，多孔粉石英化学活性越大，结合橡胶的生成量也越多。

多孔粉石英的化学活性主要来源于粒子表面微晶层面边缘上的活泼氢和层面边缘缺氢处的单电子，以及粒子表面上的含氧官能团等几个方面。

多孔粉石英化学活性对补强性能具有重要作用。

实验证明，化学活性高的多孔粉石英其补强作用大；而化学活性低的多孔粉石英（粉石英或较粗的多孔粉石英),其补强作用就小。

这是因为，较细的多孔粉石英，其表比面积大，表面上活性点多，在炼胶硫化过程中，与橡胶分子反应形成的网络结构数量多。

而这种多孔粉石英与橡胶形成的网络结构，赋予硫化胶以强度。

因此，多孔粉石英的细度是构成补强性能的最基本因素，称为影响多孔粉石英补强性能的第一因素（或强度因素）。

多孔粉石英越细，活性越大，混炼时生成的结合胶数量越多，从而使胶料的门尼黏度提高，压出时口形膨胀率和半成品收缩率加大，压出速度减慢；而硫化胶拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等提高。

4、多孔粉石英成功应用案例及添加量
替代部分炭黑或其它填料。