關于各項填料在汽車輪胎中的應用分析

郁鎮寅(同濟大學，上海 201804)

0 引言

填料的種類繁多，分類方法也有多種，可以按照作用、顏色、來源或者形狀分為不同類型。這里，我們按照組成元素來分，可粗略地分為無機非金屬填料，有機填料以及金屬填料三大類。填料對橡膠性能的影響主要取決于填料的粒徑和分布，以及填料的形態結構和表面性質。

橡膠制品種類繁多，使用的橡膠(生膠)類型包括天然橡膠，或者丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠等合成橡膠。輪胎常用橡膠主要有天然橡膠，丁苯橡膠、順丁橡膠、丁基橡膠以及少量的三元乙丙橡膠和異戊橡膠。

1 無機非金屬填料

1.1 炭黑

炭黑是以油類或天然氣為原料經高溫不完全燃燒、裂解而制造的，由于制造方法和原料的不同，可粗略分為接觸法炭黑(如槽法炭黑、混氣炭黑)、爐法炭黑(如油爐法炭黑和氣爐法炭黑等)和熱裂解法炭黑(如乙炔炭黑等)三類，其中爐法炭黑得到廣泛的應用。

炭黑在不同橡膠中的分布不同，其中順丁橡膠因為柔性大，不飽和度高，與炭黑的結合力最強。親和性與橡膠大分子鏈的柔性和雙鍵有關。順丁橡膠因柔性大、不飽和度高等，與炭黑結合力最強，而丁基橡膠因不飽和度低與炭黑結合力最弱[1]。兩種橡膠的不飽和度相差越大，共混時兩膠相中炭黑含量差別越顯著。橡膠的黏度會影響炭黑的分布。一般，炭黑傾向于分布在黏度較低的膠相中。

關于炭黑補強的機理，目前比較完善且被大家接受的主要是橡膠大分子鏈滑動學說。此學說的主要內容就是，在炭黑用作補強劑的時候，硫化膠在外力的作用之下，會出現橡膠分子鏈在炭黑粒子表面移動的現象。其主要原因是由于不同炭黑粒子其表面活性存在一定差異，使得炭黑表面出現少數強活性點，以及其他能量各異的吸附點，此時存在與炭黑表面的橡膠分子就會與強弱不同的吸附點進行結合，由此就會產生不同的結合能量，其中數量較多的能量較弱的就是范德華力，還有少量的強化學吸附點，此時橡膠分子鏈就會在不同應力的共同作用之下滑動。

1.2 白炭黑

白炭黑的化學名稱是水合無定形二氧化硅(SiO2·nH2O)，SiO2含量＞90%。白炭黑表面有很強的化學吸附活性，與表面羥基有關，它可以和水以氫鍵形式結合，形成多分子吸附層。分類方式一般是按照生產方法分，可分為氣相法白炭黑和沉淀法白炭黑。其中，沉淀法主要應用于鞋類、輪胎和其他橡膠制品中。

為了獲得最佳橡膠物理性能，通常我們會在配方中添加醇類、胺類活性劑。與炭黑相比，加入硅烷偶聯劑后，白炭黑與橡膠間產生的化學結合會降低白炭黑粒子在動態變形下團聚的程度。為改善白炭黑的分散和補強效果，需要對白炭黑進行表面改性。目前主要的方法有表面活性劑改性，偶聯劑改性、無機物包覆、聚合物接枝改性以及乳液聚合改性等。

1.3 碳酸鹽類

一般可分為碳酸鈣，碳酸鎂，白云石粉可使用在輪胎制品的碳酸鈣，可分為納米級碳酸鈣和改性碳酸鈣。其中納米活性碳酸鈣由于其自身的性能特點有著十分廣泛的應用。之所以稱為納米活性碳酸鈣，顧名思義，其粒徑十分小，僅有15～30nm左右，而且表面具有極高的活性，比表面積較大。因此，納米活性碳酸鈣不僅能夠用作膠料的填充劑，還具有較高的補強性能，能夠使膠料獲得更強的物理性能[2]。除此之外，納米活性碳酸鈣的應用，還能夠極大程度上降低膠料的造價。當前，我國已經有很多企業在生產納米活性碳酸鈣，而且很多輪胎在生產的過程中也會應用這種材料，例如，斜交輪胎胎側以及子午線輪胎胎面等。

碳酸鎂也是輪胎制品當中的重要填料，而且由于硫酸鎂對膠料密度有著十分顯著的影響，因此使用量通常要高于產酸鎂。一般情況下，用于動態使用的橡膠制品，例如輪胎等，其質量越大，那么運動過程中產生的熱量、阻力也就越大，因此，橡膠制品的消耗就越快，使用壽命也就越短。很多國外名牌輪胎其碳酸鎂用量遠低于國內普通水平，一般約為2～3份左右。碳酸鎂在減量30%～70%之后，橡膠輪胎生熱、老化等方面的性能并未發生較大的變化，但是其磨耗減量降低的程度卻明顯優于碳酸鎂用量正常的輪胎，而碳酸鎂減量后的輪胎密度有著明顯的降低，不僅有效降低了膠料的成本和質量，而且極大程度上提高了膠料的使用性能。

白云石粉的主要成分是CaMg[CO3]2，利用白云石生產橡膠通用型鈣鎂粉，添加在天然橡膠和合成橡膠中，主要起到填充和著色的作用，補強性能較弱。在性能方面添加白云石粉的膠料與添加輕鈣粉的膠料沒有過多差異，但是白云石粉的成本要遠遠低于輕鈣粉。

1.4 硅酸鹽類

輪胎制造過程中，根據輪胎生產工藝要求，可以加入陶土。陶土作為輪胎的一種填充劑。降低成本使用。但必須是活性陶土，便于與橡膠相結合。活性陶土或改性陶土，可在配方中部分替代炭黑，在簾布膠、子口包布、鋼絲圈包布或者胎面膠中，都可以進行使用。研究表明，隨著陶土用量增加，膠料的硬度、300%定伸應力和拉伸強度略有下降，但可以通過調整硫化體系獲得彌補。使用在胎面配方中，在優化體系后，還可以達到降低滾動阻力的效果。

硅鋁炭黑是以煤矸石為主要原料，經過篩選、粉碎、焙燒等物理方法加工而成，主要成分是二氧化硅、三氧化二鋁以及碳類物質。硅鋁炭黑含有大量無機物，少量的有機物與炭黑表面的活性有很大區別，因此它對橡膠的補強效果是有限的。同時它的表面含有羥基，對硫化促進劑有吸附作用，有明顯的延遲硫化的作用。為提高其補強效果和應用價值，后來對硅鋁炭黑的表面進行了活化改性。改性后的硅鋁炭黑在天然橡膠中的填充效果與SRF 相近，在丁苯橡膠中略優于陶土，可以作為輪胎行業使用的優良的補強填充劑。

1.5 硫酸鹽類

硫酸鋇，能夠有效增強輪胎橡膠、膠帶等橡膠制品的抗老化性以及耐候性，除此之外，還能夠提升橡膠制品表面光滑度的作用，作為一種粉末形態的橡膠填料，不僅能夠提高上粉率，而且在經濟成本方面具有明顯的優勢。

有研究結果表明，硫酸鋇用量增大對屈撓龜裂性能影響明顯。如果改用超細硫酸鋇，在全鋼載重子午線輪胎的有內胎氣密層中，使用15份超細硫酸鋇時，有內胎氣密層膠的物理機械性能無明顯變化。

當前，處理輪胎圈中鋼絲的主要手段，就是利用酸液洗去鋼絲表面的污漬，并能夠增加與膠料之間的粘合力，因此一定會在鋼絲膠中摻入硫酸鋇，提升其酸性，以此增強二者之間的穩固程度。在經過進一步實驗研究之后，發現活性硫酸鋇能夠有效提升鋼絲的抽出力，使其具備優良的擠出工藝性，并且能夠有效緩解胎圈噴霜情況[3]。

硫酸鈣的主要作用是可以代替白炭黑用于各種橡膠制品。活性超細硫酸鈣可以部分替代白炭黑用于SBR 橡膠中，得到相近的物理機械性能，由于其密度較白炭黑小，因此產品更輕，成本更有優勢。在天然橡膠中，采用改性硫酸鈣可以部分替代碳酸鈣或者陶土，制成的輪胎配方，產品性能不受影響，還可以進一步降低膠料成本。

2 有機填料

炭黑是橡膠的主要強填充劑，由于炭黑生產的高能耗、高二氧化碳排放。因此，近年來基于可再生資源的生物質材料作為橡膠補強填充劑受到重視，并且成為了綠色橡膠制品補強填充首選的新型環保材料，值得橡膠補強填充劑行業關注。

木粉是木材加工時產生的鋸末、木屑經粉碎過篩的50～100目粉末，呈白色或者淡黃色，相對密度約1.25的有機填料。廣泛用作熱固性樹脂成型粉的填料。木粉價廉并且易于樹脂混合。添加木粉可使其有較好的電氣絕緣性和尺寸穩定性，耐沖擊性良好。但耐熱和耐水性能較差。果殼粉被作為酚醛樹脂等的增量填料使用。

木質素是一種與纖維素共同存在于植物材料中，是一種以苯丙烷單體為骨架，具有網狀結構的高分子化合物，分子側鏈上含有甲氧基、酚羥基、基和羧基等，它是一種與目前橡膠常用炭黑結構相似的環保型材料，工業應用前景看好，其來源于造紙過程分離纖維后的工業副產物，主要有傳統的造紙堿木質素和各種木質素磺酸鹽。木質素可以在乳膠態混入進行應用，也在煉膠過程干法加工混入。木質素的作為一種新型的橡膠補強劑，如果通過適當預處理改性應用于橡膠中可以替代炭黑使用，達到節約資源和保護環境。木質素除對橡膠起增強作用為，還對橡膠混合分散和防老化起到一定作用。

近年來國內外在對傳統造紙副產物木質素、高沸醇木質素和酶解木質素在橡膠中的應用做了大量的工作，為木質素的橡膠工業作為補強劑應用奠定了基礎。

3 其他新型填料

3.1 雙相炭黑

雙相填料采用有機硅化合物與炭黑的共生技術，該新材料主要用來改善輪胎胎面動態性能，在高溫區數值低，在低溫區的數值高，可以同時兼顧滾動阻力和濕地抓地力。同時，該填料的粒徑小結構高，耐磨性可保證維持原有水平。

實驗證明，雙相填料可以降低硫化膠的滯后損失，幫助降低輪胎的滾動阻力。并且雙向填料在質量分數以及著色強度等方面有著更加優異的性能。雙向填料的主要優勢在于，雙向填料與聚合物之間的相互作用情況要遠超過白炭黑或者白炭黑與炭黑經過物理混合后的質量分數。除此之外，填料與填料之間的相互作用效果要比普通炭黑以及比表面積差不多的白炭黑更弱[4]。因此，使用這種新型填料，能夠有效該神膠料的滯后損失，使得其耐磨性能也有一定程度的改善。

3.2 短纖維—芳綸

芳綸短纖維是近年來興起的一種新型填料，跟橡膠混合后能提高補強耐磨等性能。也有一些研究結果表明芳綸短纖維可以降低混煉膠的佩恩效應，從而降低輪胎的滾動阻力。而且適量的芳綸短纖維，能夠有效改善膠料的拉伸性能。

經研究發現，在全鋼載重子午線輪胎填充膠中應用芳綸短纖維.結果表明：能夠有效降低膠料的門尼粘度，t90縮短，生熱降低；隨著芳綸短纖維用量的增大，膠料的Payne 效應逐漸減小；成品輪胎的耐久性能達到設計要求。通過研究芳綸短纖維對天然橡膠(NR)性能的影響，探討芳綸短纖維在輪胎性能改進中的應用.結果表明：芳綸短纖維可以提高NR 膠料300%定伸應力和撕裂強度；可以改善胎側膠的抗刺扎性能和抗切割性能，延長使用壽命；芳綸短纖維在胎側膠中的適合用量為3～4份。

4 結語

由上文所敘述內容可知，在設計橡膠制品配方時，不僅要考慮成品性能要求，還要考慮橡膠類型，不同填料在不同橡膠中的分布，此外，不同類型填料，通常會表現出不同優勢。由此可見，要想使填料價值得到實現，關鍵是對其構成加以明確，結合輪胎實際需求，設計加入不同種類和份數的填料與之配合。