高嶺土在生產橡膠管填料中的應用分析

梁錫治

(中非高嶺茂名新材料有限公司，廣東 茂名 525000)

隨著我國建筑和化工產業的迅速發展，以及環境和原材料供給的變化，橡膠原材料和橡膠制品的市場價格持續走高，而高嶺土作為生產橡膠管的填料，對降低橡膠制品的生產成本起到關鍵的作用。本文通過對高嶺土在橡膠管填料中的應用特性綜合分析，從多個角度闡述了高嶺土作為橡膠管填料的應用優勢和應用價值。

1 高嶺土介紹

高嶺土的晶體化學式為2SiO2·Al2O3·2H2O，理論化學組成為46.54%的SiO2，39.5%的Al2O3，13.96%的H2O，其晶體主要由硅氧四面體以及鋁氫氧八面體所組成，兩種晶體結構構成了1∶1單位層分布形式，由于八面體片層和四面體片層大小的差異，因此在晶體結構方面存在一定變化。當前，我國非煤建造高嶺土資源儲量居世界第五，含煤建造高嶺土資源儲量居世界第一，高嶺土總儲量居世界第二，僅次于美國。高嶺土之所以能夠在眾多化學生產領域中發揮重要作用，主要因其優越的理化性質。高嶺土具備良好的可塑性、黏結性、耐火性和電絕緣性及抗酸溶性。高嶺土應用價值的高低與其顆粒的大小相關，當粒度越小時，其可塑性、粘性等均得到較為顯著提升，而在作為橡膠管填料時，粒度越小的高嶺土對橡膠各項力學性質的補強效果越突出[1]。

2 高嶺土在生產橡膠管填料中的應用價值

橡膠管在生產過程中需要使用大量填料作為配合劑，在實際生產當中，填料損耗僅次于橡膠。通過在橡膠中加入填料，能夠有效提高橡膠的各項性能，從而起到良好的補強效果，提高橡膠管的使用壽命。同時也存在非補強填料，其主要作用為填充、隔離、著色等。高嶺土作為性能優異的材料，在生產橡膠管填料中具有突出的應用價值。

2.1 對橡膠管密度和硬度的影響

通過添加高嶺土，能夠對橡膠的密度和硬度形成較為顯著的補強效果，其效用與傳統橡膠管填料炭黑不相上下。在高嶺土和橡膠材料的混煉過程中，高嶺土粒子和網狀的橡膠分子鏈會發生一系列物理以及化學反應，進而對橡膠的原始結構造成影響，使橡膠的密度和硬度得到提升[2]。值得注意的是，高嶺土作為填料對橡膠管的密度性能的補強效果具有極大值，當超出此極大值標準后，橡膠管的密度不再上升，反而會下降。在硬度的補強效果方面，則隨著高嶺土添加量的上升在后期會出現硬度提高趨勢減緩的現象，因此在使用高嶺土作為生產橡膠管填料時，需要對其用量進行精確計算，從而達到產品性能和生產成本的最佳平衡。

2.2 對橡膠管拉伸性能的影響

高嶺土和橡膠材料在混煉過程中，橡膠分子鏈將吸附在高嶺土粒子之上，同時在混煉機的剪切力作用下，使高嶺土粒子表面產生滑動，從而導致材料應力重新分布，最終促進橡膠拉伸性能的提升。但當高嶺土填料用量持續超量增加時，橡膠分子在高嶺土粒子的表面活動能力下降，導致橡膠分子的斷裂概率上升，使其拉伸性能下降[3]。

2.3 對橡膠管回彈性能的影響

由于高嶺土具有可塑性，因此高嶺土粒子與橡膠分子結合后，能夠有效提高橡膠復合材料的塑性值。同時，高嶺土對橡膠回彈性的補強效果遠高于炭黑和白炭黑。

2.4 對橡膠管熱穩定性的影響

由于高嶺土具有顯著的耐火性特質，通過在橡膠中填充高嶺土材料，能夠有效延遲高溫環境下橡膠的熱分解，明顯提高復合材料的熱穩定性。其作用原理是通過稀釋可燃物數量、阻止熱量流動、阻止質量流動三方面來有效降低高嶺土/橡膠復合材料的熱分解效率。

2.5 對橡膠管阻燃性的影響

通過在橡膠中填充一定量的高嶺土材料，晶體片層將對橡膠分子產生圈閉保護效應，能夠在燃燒過程中有效阻隔熱量的傳遞，同時稀釋可燃物數量，提高燃燒氧指數，從而促進復合材料阻燃性能的提升。經研究表明，在高嶺土材料所填充的天然橡膠中，其阻燃性能與白炭黑相等，但略低于炭黑[4]。

3 高嶺土的改性工藝

高嶺土的補強效能與高嶺土粒徑有著直接聯系[5]，粒徑小于1μm的高嶺土，對橡膠具有良好的補強作用，粒徑在5μm以上時，則主要起填充作用。此外，還可以通過高嶺土表面的改性使高嶺土能夠和橡膠材料密切結合，防止出現團聚現象，提高高嶺土粒子的表面化學活性、分散性以及同橡膠粒子的相容性等。當前高嶺土的改性工藝主要有偶聯劑改性、煅燒法改性、包膜處理法改性以及有機硅油改性等。

3.1 偶聯劑改性

偶聯劑改性是指利用偶聯劑與高嶺土表面的羥基基團互相作用從而有效改變高嶺土的表面化學性質。

(1)濕法改性。將高嶺土浸入到偶聯劑溶液當中，通過攪拌和溫度的影響，使偶聯劑與高嶺土表面化學基團進行充分反應，將高嶺土從溶劑中提取出來，再使用干燥法將改性后的漿料進行干燥，得到改性后的高嶺土。濕法改性具有反應效率高的優勢，但存在工藝復雜以及成本較高的缺陷，對改性藥劑的浪費量較大[6]。

(2)干法改性。將干燥過后的高嶺土粉放入高速混合器，在一定溫度下啟動機器攪拌，并緩緩加入偶聯劑溶液和助劑，經過一段時間的處理后，則可以得到改性的高嶺土填料。干法改性中偶聯劑的使用量較小，因此其改性成本較小，但是對改性設備具有較高的要求。

偶聯劑對高嶺土的改性作用主要是通過偶聯劑分子的極性基團和高嶺土粒子表面的極性基團作用，經羥基基團脫水縮合反應，使高嶺土的親水疏油性質變為疏水親油性質，從而提升高嶺土與橡膠分子之間的相容性。目前用于高嶺土表面改性的偶聯劑種類較多，應用較多的主要有硅烷偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑以及鈦酸酯偶聯劑。利用硅烷偶聯劑和鈦酸酯對高嶺土改性后，對提升橡膠力學性能的效果顯著，而經鈦酸酯偶聯劑改性后的高嶺土，在橡膠拉升強度、撕裂強度、耐磨性方面皆具有明顯的補強效果。

3.2 煅燒法改性

煅燒法改性的原理在于通過煅燒使高嶺土脫水、脫揮發性物質，促進高嶺土白度、純度的提升，同時還可改變高嶺土的晶體結構以及表面性能[7]。經過煅燒的高嶺土密度更小、白度更高、吸油性增加并且在絕緣性和熱穩定性方面皆有所提升。另外，在不同的煅燒溫度下，高嶺土的成品不同，一般在500℃時，高嶺土表面羥基開始脫去，在650℃時完全脫羥，成為偏高嶺石，在1000℃左右時，偏高嶺石出現結晶化，成為硅鋁尖晶石，在1500℃時則成為似莫來石。

3.3 包膜處理法改性

包膜處理法改性是指通過有機物或無機物材料在高嶺土粒子表面進行包膜，從而有效改進高嶺土性能，增大其填充補強性質。這一方法適用于某些使用要求不高的高嶺土產品，主要的包膜材料有硬脂酸、聚乙二醇、二氧化鈦等。如可利用液相沉積法在高嶺土表面裹上一層二氧化鈦包膜，從而有效提升高嶺土的遮蓋力，而經過二氧化鈦包膜的高嶺土可以作為鈦白粉的替代品。

3.4 有機硅油改性

有機硅油改性工藝是先將高嶺土放置在高速加熱混合機中進行攪拌，通過高溫脫去高嶺土表面的吸附水，而后加入有機硅油攪拌均勻，在高嶺土外層表面形成疏水膜，從而有效提高高嶺土的疏水性能，使其在填充后能夠有效提高橡膠材料在潮濕環境下的電絕緣性能。通常而言，對高嶺土進行有機硅油改性時，其硅油用量一般占煅燒高嶺土總量的1%～3%。

4 高嶺土在生產橡膠管填料中的應用要點

4.1 填料用量

高嶺土作為橡膠管填料雖能達成較為明顯的補強效果，在硬度、密度、拉伸性、回彈性、熱穩定性、耐火性等方面皆表現出顯著的優勢，但復合材料的各項理化性質并非隨著高嶺土填料的增加而增加，當高嶺土填充量達到極限時，橡膠管的各項性能會出現下降的趨勢。同時，各項性能的指標極限不一，存在某一項性能的最優填料數量反而導致其他性能下降的情況。因此，在將高嶺土作為生產橡膠管填料時，需要根據橡膠管的應用方向對各項性能進行取舍，通過試驗進行精確計算，獲取最為科學合理的填料用量，有效提升橡膠管的使用性能和使用壽命[8]。

4.2 生產成本

高嶺土的粒徑越小，其補強效果越佳，當高嶺土填料粒徑達到納米級時，其能夠賦予橡膠管優秀的力學性能，在阻隔性、熱穩定性方面均表現優異。然而，納米級的高嶺土在成本上要高于其他高嶺土[9]。因此，在考慮提高高嶺土填料補強性質時，應當通過綜合考慮其生產成本，選用合適的改性高嶺土材料或低粒徑材料，從而能夠在保證橡膠管應用性能的前提下，提高其生產效益[10]。

5 發展方向

相較于國外高嶺土加工產業而言，我國高嶺土行業在精細加工以及改性研究方面仍然存在一定差距，對于高嶺土性能機制和規律的研究尚不夠深入。因此，在制備高性能的橡膠管材料方面其穩定性和成本仍然差強人意[11]。

為進一步提升高嶺土填料在橡膠管填料中作用，應深入研究高嶺土的改性機理，有效提高橡膠管性能，推動高檔次橡膠管制品的開發，提高行業競爭力[12]。同時，結合新興工藝，提高工藝精度，強化對高嶺土材料性能的研究，構建更為優良的高嶺土改性配方。另外，在高嶺土填料生產工藝的改進中，應加強生產成本優化，通過自動化設備更新、工藝效率提高等手段，降低生產過程中的人力、物力成本，充分體現高嶺土填料在橡膠管生產中的應用效益[13]。

綜上所述，高嶺土在生產橡膠填料中的應用優勢明顯，在提高橡膠管制品的力學性質以及熱穩定性方面有突出的應用價值。同時，在高嶺土填料的生產中，可通過降低粒徑及改性工藝等方法，提高補強效果，保證填料性能達到相應的產品應用標準，在高性能的橡膠管制品生產中發揮出重要的作用。