前言：本站為你精心整理了無機填料生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀分析論文范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

論文關(guān)鍵詞：無機填料產(chǎn)品品質(zhì)附加值復(fù)合材料材料改性

論文摘要：本文探討了我國無機填料的生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了我國無機填料工業(yè)存在的問題，提出了“提高行業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)、增加產(chǎn)品附加值以振興無機填料工業(yè)”的新思路。本文還通過不同材料提升品質(zhì)前后對復(fù)合材料物理性能的變化的實例，論述無機填料品質(zhì)提升的重要性與可行性。本文最后論述了我國無機填料工業(yè)趕超國外先進技術(shù)的必須經(jīng)過的“研、產(chǎn)、用三結(jié)合”的途徑與方法。

隨著橡膠應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，無機填料在橡膠工業(yè)中的地位越來越突出。特別是隨著現(xiàn)代材料改性技術(shù)的發(fā)展，很多無機材料被賦予了獨特的物理與化學性能，如耐磨性、導電性、導熱性、阻燃性、耐腐蝕性、氣密性等等。

橡膠工業(yè)對被用做填料的礦物無機材料有一定的要求，如顆粒大小，形狀和表面性質(zhì)等。符合這些要求的材料，才能在橡膠工業(yè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

按目前的技術(shù)，橡膠中應(yīng)用的無機填料要求達到如下要求：

1.化學活性不高和橡膠不起化學作用；

2.不影響硫化膠化學性能，即耐侯性、耐酸性、耐堿性和耐水性；

3.不明顯降低硫化膠的力學性能；

4.在橡膠中易混入，易分散，可大量填充；

5.價廉易得；

6.粒徑細小，一般要求達到150nm以下；

7.粒子表面能被橡膠分子濕潤，（這一點可以通過對無機填料的表面改性而得到更好體現(xiàn)）。

目前，在橡膠工業(yè)中應(yīng)用的無機填料，按成份可分為四大類：

1、硅酸鹽礦物填料（滑石、高嶺土、長石、硅灰石、云母、膨潤土、石棉）；

2、碳酸鹽填料（石灰石、方解石、白堊、菱鎂礦）；

3、硫酸鹽礦物填料（重晶石、石膏）；

4、氧化礦物填料（石英、粉石英、硅藻土和金紅石）。

高性能的橡膠制品，對礦物無機填料提出了更高的要求。礦物填料僅通過粉碎研磨分級已不能滿足使用要求，必須通過表面處理、活化改性等方法，使其提高品級檔次，以適應(yīng)日愈發(fā)展的高性能橡膠制品的性能要求。因此，只有作為使用部門的橡膠工業(yè)和無機填料生產(chǎn)部門之間的密切合作，才能加快這一適應(yīng)過程，促進雙方共同發(fā)展。

一．橡膠工業(yè)中無機填料的應(yīng)用現(xiàn)狀

盡管無機填料的品種很多，但真正在橡膠工業(yè)中廣泛使用的主要也就二種：硅酸鹽類與碳酸鈣類。（白炭黑雖然也屬于無機填料，但它作為與炭黑一起的二大橡膠補強劑之一，已屬于一個單獨的行業(yè)，且該行業(yè)不乏強大的資金與技術(shù)支持，因此，本文不再對其進行論述）。

硅酸鹽類：主要有陶土、滑石粉、云母粉、石棉粉。

陶土：包括高嶺土、瓷土、白土、皂土或純凈黏土。是橡膠工業(yè)用量最大的礦物填料，用量約占礦物填料總量的59%。其主要成分為氧化鋁和氧化硅的結(jié)晶化合物。按其粒徑大小，陶土可分為：硬質(zhì)陶土、軟質(zhì)陶土、高級陶土。

硬質(zhì)陶土：粒徑≤2um的占80%以上，≥5um的占4-8%，比表面為22-26m2/g，在橡膠中有半補強作用，能改善硫化膠的力學性能，是目前在橡膠中用量最大的品種。

軟質(zhì)陶土：粒徑≤2um的占50-74%，≥5um占8-30%，比表面為9-17m2/g，在橡膠中無補強作用，硫化膠力學性能差。

高級陶土：粒徑≤1um，含少量有機物，微量吸濕性。

在橡膠中加入陶土對膠料性能有一些負面的影響：如隨著用量增加，硬質(zhì)陶土可使膠料可塑性下降較大的幅度，軟質(zhì)陶土使膠料可塑性下降較大的幅度略小一點。但兩者都能減小收縮率，使表面光滑。隨著用量增加，扯斷強度、耐磨性、定伸強力均有不同程度的提高，用量為20份最好。伸長率則隨用量增加而下降。由于陶土屬異軸結(jié)晶系，各向異性，耐撕裂性能較差，但用于丁基橡膠卻能改善其耐撕裂性能。硬質(zhì)陶土比軟質(zhì)陶土耐撕裂性能好。由于硬質(zhì)陶土粒徑比軟質(zhì)陶土小，其膠料生熱比軟質(zhì)陶土高，膠料的回彈性軟質(zhì)陶土高于硬質(zhì)陶土，永久變形硬質(zhì)陶土膠料比軟質(zhì)陶土膠料小，龜裂增長速度硬質(zhì)陶土膠料比軟質(zhì)陶土膠料慢。

滑石粉：由天然滑石經(jīng)干法、濕法粉碎或高溫煅燒而得，是六方或菱形結(jié)晶顆粒，粒徑為1.3-149um。其化學組成為水合硅酸鎂。用做橡膠填充劑、增容劑、隔離劑及表面處理劑。

硅灰石粉：由天然硅灰石經(jīng)選礦、粉碎制得，粒徑為3.5-75um。其化學成分為偏硅酸鈣。用做橡膠填充劑和白色顏料。

云母粉：由天然云母礦石經(jīng)干法、濕法研磨制得其化學成分為硅酸鉀鹽。用做橡膠填充增量劑。絹云母有補強效能，可替代部分半補強碳黑使用，還可用做隔離劑。由于它屬單斜晶系，其結(jié)晶呈薄片狀，能提高橡膠的阻尼性能。它有良好的耐熱、耐酸性能和電絕緣性能，還有防護紫外線和放射性輻射的功能，可用于特種橡膠制品。

石棉：由天然石棉礦加工制成，其化學組成為含鎂、鐵、鈉的硅酸鹽，呈纖維狀結(jié)晶。它對橡膠有補強作用。突出的優(yōu)點是隔音、隔熱、耐酸、耐堿和絕緣，也可用做隔離劑。

長石粉：由天然花崗巖經(jīng)浮選，除去二氧化硅、云母后再經(jīng)研磨制得。其化學成分是無水硅酸鋁，隨其鈉、鉀、鈣氧化物含量不同分別有鈉長石、鉀長石、和鈣長石，用于膠乳不破壞皂液性質(zhì)，能防止附聚作用。亦可用做丁苯橡膠和聚氨脂橡膠的填充劑。

煤矸石粉：由天然煤矸石經(jīng)研磨而得。其化學組成類似高嶺土，即為氧化硅和氧化鎂的混合物，唯揮發(fā)成分高達27%。有半補強效能，俗稱硅鋁碳黑。易混入橡膠，分散性好，可替代部分碳黑做補強劑使用。

海泡石粉：由天然硅酸鎂黏土礦經(jīng)精選、深加工制得。其化學組成分為氧化硅和氧化鎂的水合物，含少量鋁和鐵氧化物。在淺色橡膠制品中用做補強劑，性能僅次于白碳黑。

凹凸棒土粉：由蒙脫石等硅酸鋁鎂類礦物精選加工制得。其化學成分為硅、鋁氧化物，含少量鐵、鈣、錳氧化物。白色纖維狀結(jié)晶，表面有凹凸溝槽，故得此名。是半補強類型填充劑，能使壓出壓延膠料表面光滑。

碳酸鈣類：主要有重質(zhì)碳酸鈣與輕質(zhì)碳酸鈣，是橡膠工業(yè)中用量僅次于陶土的礦物材料，其用量約占無機礦物填料總量的27%。

重質(zhì)碳酸鈣：又稱重鈣粉，是由天然大理石、石灰石、白堊、方解石、白云石或牡蠣、貝殼等

經(jīng)粉碎、風選到一定細度制得。按粒徑大小重鈣粉可分為不同的品種，如三飛粉、四飛粉等。重質(zhì)碳酸鈣粒徑一般在10um左右。用于橡膠主要起填充增容作用，無補強效能。

輕質(zhì)碳酸鈣：又稱輕鈣。粒徑在0.5-6um之間，經(jīng)化學沉淀法制得，有微弱的補強效果。輕質(zhì)碳酸鈣按其粒徑大小分為普通輕鈣、超細碳酸鈣、納米鈣，超細碳酸鈣、納米鈣粒徑在0.01-0.1um之間，有較好的補強效果。

二．我國無機填料品種和產(chǎn)業(yè)存在的不足

我國目前的無機填料生產(chǎn)企業(yè)多是由原先規(guī)模較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)轉(zhuǎn)化而來的民營企業(yè)，因此，大多存在規(guī)模小、技術(shù)弱、創(chuàng)新慢、層次低的通病，而這些不足帶來的另一個通病是品種單一，技術(shù)含量低，致產(chǎn)品的附加值低。目前在橡膠企業(yè)中使用最多的水洗硬質(zhì)陶土的價格基本上在600元/噸以下。產(chǎn)品的低附加值，致企業(yè)無力在產(chǎn)品的技改上加大投入，也缺乏引入高素質(zhì)人才的熱情，使陶土生產(chǎn)企業(yè)始終在低水平層次上苦熬日子。而同樣的水洗陶土產(chǎn)品，在國外，由于進行了特殊的生產(chǎn)工藝及后續(xù)加工，陶土的價格超過3000元/噸，特殊的產(chǎn)品如用作橡膠膠片隔離劑的預(yù)處理陶土，售價甚至超過6000元/噸。

反觀國內(nèi)的陶土生產(chǎn)企業(yè)，除了行業(yè)惡性競爭帶來的低附加值、低技術(shù)含量，更有假冒、劣質(zhì)產(chǎn)品充斥市場，更劣化了行業(yè)的生存環(huán)境。筆者曾在一家有一定規(guī)模的民營企業(yè)，發(fā)現(xiàn)填充了大量砂子的劣質(zhì)陶土。這些假冒、劣質(zhì)陶土，不僅損害行業(yè)產(chǎn)品信譽，更毒化行業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用市場碳酸鈣行業(yè)的處境比陶土生產(chǎn)企業(yè)略為好一點，但陶土行業(yè)存在的“二個通病”同樣存在。之所以目前的碳酸鈣行業(yè)的處境比陶土生產(chǎn)企業(yè)強一點，是因為碳酸鈣行業(yè)還能吃到原先行業(yè)中有較高比例的國有企業(yè)的甜頭，如原先的上海碳酸鈣廠、浙江菱湖輕鈣廠、黃石碳酸鈣廠等一批國有企業(yè)，由于技術(shù)力量較強，加上行業(yè)技術(shù)交流多，使碳酸鈣行業(yè)的技術(shù)與國際先進水平的差距在10年以內(nèi)，典型的例子如日本在70年代中期開發(fā)出準納米輕鈣——白艷華-C與白艷華-U產(chǎn)品，上海碳酸鈣廠在80年代初也開始生產(chǎn)同類產(chǎn)品“活性輕鈣”與“超微細輕質(zhì)碳酸鈣”。但是，隨著國有企業(yè)的倒閉與轉(zhuǎn)制，行業(yè)技術(shù)缺乏新鮮血液的補充，行業(yè)技術(shù)交流名存實亡，我國碳酸鈣行業(yè)與國外企業(yè)特別是與日本的碳酸鈣企業(yè)的差距迅速拉大，以納米碳酸鈣為例，在日本，納米碳酸鈣在輕產(chǎn)品中的比例已超過70%，而國內(nèi)的比例還不到5%，而且占有相當比例的國產(chǎn)的納米鈣的品質(zhì)存在不足，不能與進口產(chǎn)品比較，以致，我國雖然已是輕鈣的產(chǎn)量大國，但高端的輕鈣產(chǎn)品還是靠進口。

如果我國無機填料生產(chǎn)企業(yè)不改變目前的生產(chǎn)與經(jīng)營模式，繼續(xù)吝嗇資金與技術(shù)的投入，繼續(xù)在低附加值的原始產(chǎn)品上惡性競爭，恐怕永遠不會擺脫度日如年的處境。

三．無機填料品質(zhì)提升途徑

無機填料行業(yè)只有提升品質(zhì)、提高產(chǎn)品的附加值，同時，加大科研投入，并與填料的使用部門與科研院所密切合作，開發(fā)適銷對路的高端產(chǎn)品，才能迎來行業(yè)的春天。

在硅酸鹽產(chǎn)品品質(zhì)提升方面，目前國內(nèi)已有不少新產(chǎn)品的報道，如插層改性納米蒙脫土、納米陶土、活性陶土、水溶性陶土等，但大部分的新產(chǎn)品與新技術(shù)還深藏在科研院所的閨閣中，不知是科研院所不愿意“拋繡球”還是填料生產(chǎn)企業(yè)不愿意接“繡球”，總之，我國在無機填料改性方面的成果很多，但形成生產(chǎn)線的很少。分析其中的原因，不外乎二方面原因：一是新產(chǎn)品或新技術(shù)還處于實驗室階段，科研人員未具備進行中試或生產(chǎn)應(yīng)用的條件與經(jīng)驗，也可能是科研人員缺乏進一步試驗的資金或行業(yè)支持；二是行業(yè)經(jīng)營者對新產(chǎn)品與新技術(shù)的市場前景缺乏信心，也可能是行業(yè)的經(jīng)營者與技術(shù)成果的持有者缺失相互溝通的渠道。

最近筆者聽到一個令人高興的消息，由上海琪祥化工與中國礦大合作開發(fā)的改性納米陶土已進入輪胎橡膠領(lǐng)域，僅一個年產(chǎn)150萬套輪胎的輪胎廠該產(chǎn)品月用量已超過100噸。該產(chǎn)品的特點是利用納米陶土本身的層狀結(jié)構(gòu)氣密性好的特點，進行插層改性后以提高橡膠復(fù)合材料的物性。筆者也對該納米材料進行了用于全鋼載重子午胎氣密層膠中的試驗，的確有在保持物性的前提下能降低成本、提高橡膠氣密性的作用。如下是筆者的試驗結(jié)果：

基本配方：NR，20；BIIR，80；硫磺與促進劑，2；ZnO，3.5；硬脂酸，1.5；碳黑，60；其它，22；填料，變量。

從上述表中可以看到，增用了20份的2#納米陶土粉，氣密層膠的物理機械性能與工藝性能變化很小，完全達到全鋼載重子午胎氣密層膠的要求，有意義的是，增用了20份納米陶土粉的氣密層膠料老化后性能提高了32%，氣密性還略有提高，如將填充的納米陶土粉換成炭黑或其它填料，則氣密層膠的氣密性大大降低，這會影響輪胎的使用壽命。

硅酸鹽無機填料，同白炭黑一樣，因其較強的親水性，粒子表面能大，在生產(chǎn)過程中，粒子與粒子之間易二次結(jié)聚形成更大粒徑的粒子，影響其補強性能，同時，填料填充到橡膠中后，填充粒子之間極易形成填料網(wǎng)絡(luò)，即所謂的“佩恩效應(yīng)”，從而影響復(fù)合材料的綜合性能，因此，應(yīng)對填料進行表面改性，以提高填料粒徑的均一性，同時，降低“佩恩效應(yīng)”。

目前，國內(nèi)外對無機填料改性關(guān)注力度最大的莫過于對蒙脫土的插層改性，幾乎國內(nèi)所有綜合性大學的材料學院都有研究人員對其進行專門研究，而中國礦大與北京化工大學似乎還走在了前面，前面提到的強微粉正是礦大的技術(shù)成果。

對硅酸鹽無機填料的品質(zhì)提升有二條途徑：一是對其納米化，并用有機材料對其表面改性后再造粒，以防止納米粒子的二次結(jié)聚，同時減少填料使用單位的粉塵污染；二是利用填料本身的結(jié)構(gòu)特點，挖掘其優(yōu)點，改良其不足。如前述的蒙脫土，其填料最小粒子結(jié)構(gòu)是片層結(jié)構(gòu)，在垂直片層的方向上，有很高的氣體通過阻礙性，如能用高聚物對其片層結(jié)構(gòu)進行插層改性，則既利用了其本身的優(yōu)點又極大地提高了其補強性能，使其利用價值得到質(zhì)的提升，這也是國內(nèi)外對其研究熱情奇高的原因。

下列表二、表三、表四為納米高嶺土的物理性能與在不同膠種中應(yīng)用后的性能，讀者可以一窺其性能優(yōu)

納米高嶺土在順丁橡膠、三元乙丙橡膠和天然橡膠中的補強實驗結(jié)果說明，納米高嶺土在拉伸強度和定伸強度方面均優(yōu)于白炭黑，特別是在天然橡膠中，納米高嶺土的拉伸強度比白炭黑高約10MPa。在扯斷伸長率和彈性方面，納米高嶺土也均優(yōu)于白炭黑。在撕裂強度方面，在順丁橡膠和三元乙丙橡膠中白炭黑優(yōu)于納米高嶺土，但在天然橡膠中納米高嶺土優(yōu)于白炭黑。

從上述結(jié)果我們可以看到，無機填料高嶺土通過品質(zhì)提升，其性能可以與白炭黑PK，筆者認為，這是無機填料通過品質(zhì)提升提高其產(chǎn)品附加值的核心所在。

碳酸鈣產(chǎn)品的質(zhì)量提升的難度略小于硅酸鹽產(chǎn)品，因為碳酸鈣生產(chǎn)基本上為工廠化作業(yè)，特別是沉淀法輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)，改性與否對其生產(chǎn)成本增加不是很大，產(chǎn)品改性的成本增加主要是改性材料本身的材料成本與附加設(shè)備的投資。

但是有二個奇怪現(xiàn)象，一是雖然輕鈣產(chǎn)品改性成本比較小，但行業(yè)內(nèi)對產(chǎn)品品質(zhì)提升的熱情似乎不高，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國08年碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)達270余家，輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)能力超過280萬噸/年，附加值相對較高的納米鈣不到10萬噸/年，納米鈣占總輕鈣產(chǎn)量的比例不到5%，而同期，納米碳酸鈣在日本企業(yè)的比例則超過70%。二是性能優(yōu)異的納米鈣的使用比例在國內(nèi)不是很高，（歐美等發(fā)達國家的納米鈣消費量占全部輕鈣產(chǎn)品的60%以上），按08年國內(nèi)橡膠與塑料消耗量計算，08年消耗的輕鈣總量應(yīng)在300萬噸以上，如橡膠制品與塑料制品使用高檔輕鈣的比例按30%計算，則納米鈣的用量應(yīng)在90萬噸以上，而實際用量（包括進口）還不足25萬噸。為什么會造成上述的二個奇怪現(xiàn)象呢？根據(jù)筆者對輕鈣行業(yè)的了解，認為主要有三方面原因：

1.缺少技術(shù)支持，得不到國家的科技扶持，企業(yè)科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)十分薄弱。因為目前的碳酸鈣生產(chǎn)企業(yè)基本上為民營企業(yè)，生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)人員相對而言技術(shù)與文化層次比較低，而且，技術(shù)人員為了保住自己的技術(shù)地位，對技術(shù)與經(jīng)驗十分保守，即便是同一企業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員，相互之間也不愿意交流技術(shù)經(jīng)驗與心得，因此，企業(yè)的技術(shù)人員對新技術(shù)與新產(chǎn)品的信息的掌握十分有限，企業(yè)科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)十分薄弱，企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)基本上靠老板定，老板本人掌握的科技知識決定了該企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)含量。

2.新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用三大塊的技術(shù)人員不能在利益與目的上串成一根繩，至研發(fā)人員不知道要開發(fā)什么新產(chǎn)品、要研發(fā)什么新技術(shù)；生產(chǎn)人員不知道應(yīng)生產(chǎn)什么適銷對路的新產(chǎn)品、不清楚能使用什么既能節(jié)省成本又能提高產(chǎn)品質(zhì)量的新技術(shù)，更不了解自己生產(chǎn)的產(chǎn)品對使用該產(chǎn)品的行業(yè)有什么不足與技術(shù)瓶頸；而產(chǎn)品的應(yīng)用人員也提不出對輕鈣產(chǎn)品進行何種技術(shù)改造而能使自己的制品達到提質(zhì)降耗的目的。三方人員各顧各，缺少技術(shù)與信息的互通，使得我國輕鈣行業(yè)的技術(shù)始終落后于國外同行。

3.企業(yè)主的質(zhì)量意識和管理水平還未達到一定的層次。據(jù)筆者從事橡膠配方設(shè)計與材料改性工作的經(jīng)驗，國內(nèi)生產(chǎn)的輕鈣產(chǎn)品極大部分在品質(zhì)方面不如日本產(chǎn)的質(zhì)量好，特別是納米鈣與活性碳酸鈣，質(zhì)量的均一性與日本產(chǎn)品比較存在一個質(zhì)量上的檔次。國產(chǎn)納米鈣與活性碳酸鈣的性價比不高，這可能也是目前我國輕鈣產(chǎn)品中納米鈣所占比例不高，而進口產(chǎn)品雖然價格昂貴但進口數(shù)量還是不斷上升的原因。

前面提到，我國碳酸鈣產(chǎn)品的質(zhì)量提升的難度要小于硅酸鹽產(chǎn)品，這是因為，在國內(nèi)，能提供技術(shù)支持的部門比較多，如中科院、北京化工大學、天津大學、華東理工大學、華南理工大學等多所大學與研究院能提供技術(shù)服務(wù)。超級秘書網(wǎng)

對碳酸鈣的品質(zhì)提升，目前主要有產(chǎn)品的納米化與產(chǎn)品的功能化改性二種途徑。

納米碳酸鈣與普通輕鈣的價格差距是十分明顯的，現(xiàn)在國內(nèi)普通輕鈣的價格在800元/噸以下，而納米鈣的價格則在1600元/噸以上。但國產(chǎn)納米鈣在粒徑分布的均一性上存在不足，有相當比例的粒徑超過120nm，而這些粒徑超過100nm的粒子是造成橡膠制品早期損壞的原因之一，可以說，因為有了這些大粒徑的粒子，盡管比例很低，但從理論上說，已不是納米材料的范疇。這也是國產(chǎn)納米鈣性價比不高的原因碳酸鈣產(chǎn)品的功能化改性是指對碳酸鈣顆粒的表面進行化學與物理改性，以達到某種功能化的目的。

到目前為止，見諸報端的功能化改性工作有：1）碳酸鈣顆粒的表面包覆氧化鋅與氧化鈦，以部分代替高價的氧化鋅與鈦白粉；碳酸鈣顆粒的表面包覆氧化鋅與氧化鈦后，其售價可達4000元/噸以上。2）碳酸鈣顆粒的表面包覆SiO2，以部分代替白炭黑及。