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二氧化硅补强剂是如何成为橡胶制品的宠儿的?
2021年05月25日    阅读量:     新闻来源:中国橡胶网 zimite.com  |  投稿

橡胶制品(rubberproduct)指以天然及合成橡胶为原料生产各种橡胶制品的活动,还包括利用废橡胶再生产的橡胶制品,因具有高弹性、耐磨性、绝缘性、质轻和加工方便等优点,被广泛用于交通、机械、电子、国防和国民经济的其它领域。

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天然橡胶


据统计,目前合成橡胶的产量已大大超过天然橡胶,而随着社会进步和科学技术的发展,人们对橡胶各项性能指标的要求也越来越高。在已有材料基础上,经过适当处理来提升橡胶的各项性能指标是较为合理的方法之一中国橡胶网zimite.com。比如说,橡胶分子间作用力小、自由体积大、自结晶能力差,它的强度和模量都很低,而且耐磨性能不好,因此往往要进行“补强”才可以投入应用。补强剂的加入不仅可在一定程度改善橡胶的加工性能和使用性能,还能达到降低成本的目的。因此,寻找高效、经济、简便的补强材料和补强方式历来是橡胶领域研究的重点和热点之一。


目前,橡胶领域应用最多的补强剂是炭黑和白炭黑。炭黑是相对传统的一类,补强效果优秀,用量也大,应用已有近150年的历史,但由于炭黑无法提供某些特殊性能以及污染环境等,所以炭黑的替代品——白炭黑,也就是纳米二氧化硅越来越受到重视。


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白炭黑的优势与制备

白炭黑即非晶二氧化硅,又称水合二氧化硅,分子结构为SiO2·nH2O,是一种白色、无毒、无定型粉末,具有多孔性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧和绝缘性好等优异性能。白炭黑的主要制备方法有气相沉积法(以四氯化硅为原料)、沉淀法(以硅酸盐和无机酸为原料)、微乳液法和溶胶-凝胶法(以硅酸钠等为原料)等。其中气相白炭黑粒径极小,约为15~25nm,比表面积高达50~400 m2/g,杂质少;沉淀白炭黑粒径相对较大,约为20~40nm,杂质较多。


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不同制备方法的结构模型


不过,纳米二氧化硅表面能高,与橡胶基体相容性差,在混炼过程中很难均匀分散于橡胶基体中,从而导致粉体聚集严重,影响了其对橡胶的补强性能。因此需要选用适当方法对白炭黑进行表面改性,以改善其在橡胶基体中的分散及与橡胶基体的相容性。比如说通过硅烷偶联剂使表面含有可反应硅羟基的纳米二氧化硅与橡胶分子链间形成适当的化学“桥连”,就能降低橡胶材料的滞后损失、降低轮胎滚动阻力并提高抗湿滑性能。


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白炭黑在橡胶中的应用

1.硅橡胶与医用橡胶制品


与普通有机橡胶相比,硅橡胶在耐热性、化学稳定性、绝缘性和耐磨性等方面都有优势,但因为硅橡胶分子链柔顺性好,分子链间相互作用力弱,所以硅橡胶本身强度很低,需要添加补强剂才能使用。何颖等研究了纳米二氧化硅的结构以及在硅橡胶中的分散对硅橡胶性能的影响,研究表明纳米二氧化硅对硅橡胶有较好的补强作用。当添加量在一定范围时,能明显提高硅橡胶的拉伸强度和撕裂强度,硬度随二氧化硅用量的增加呈线性增加。


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医用导管


硅橡胶在医疗卫生部门有着广泛的应用,其制品涉及医学的各部门,同时灭菌橡胶医用手套和一次性使用橡胶检查手套、医用胶管和医用硅橡胶导管、医用瓶塞和人造硅橡胶器官等也属于医用橡胶制品。作为医用橡胶制品,必须满足无毒、化学惰性、不引起过敏、不能致病、不变形、易加工和老化性能好等要求,硅橡胶能够基本满足这些要求。1994年,孙明亭和唐明扬报道了成都硅中心生产的GY-131医用级硅橡胶,用气相法二氧化硅作为补强剂,这种硅橡胶具有较好的物理机械性能,能用于医药领域.


2.轮胎橡胶


“绿色轮胎”这一概念最早是法国米其林公司在二十世纪九十年代初提出来的。随着人们环保意识的不断增强以及可持续发展的贯彻落实,考虑到环境保护和大气污染治理对轮胎节能减排的重大需求,发展绿色轮胎已不可逆转。与传统轮胎相比,绿色轮胎具有滚动阻力小、高抗湿滑性、高耐磨性、耗油低和废气排放少等特,凸显了绿色、环保、节能等优点,能降低对环境的不利影响以及燃料的消耗。


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轮胎


与炭黑相比,纳米二氧化硅填充绿色轮胎具有低滚动阻力,低耗油量,因而有逐渐取代炭黑填充轿车和卡车轮胎的趋势。现在,绿色轮胎不仅是指省油、安全、滚动阻力小的轮胎,同时也要满足原料和生产过程的绿色化。


3.生活用品


纳米二氧化硅具有良好的补强性能,能改善橡胶的物理机械性能,广泛用于家用电器以及文体教育中的橡胶制品,包括家用电器橡胶件、胶管胶带、胶鞋、球具、游泳脚蹼、清新胶等等。


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透明鞋底


在这些产品的生产过程中,耐磨性及耐疲劳性的提高是关键,因此需要添加白炭黑以满足使用要求。而在胶鞋中,尤其是鞋底中,白炭黑能100%替代炭黑,所以胶鞋是白炭黑消耗量较大的产业之一,白炭黑作为补强填料,能增强鞋底的耐磨性、拉伸强度和、撕裂强度以及硬度,因此广泛用于浅色、彩色半透明和透明鞋底的制作,与SBR、BR等配合使用能满足其高性能要求。


资料来源:

纳米二氧化硅的制备及其在橡胶中的应用研究进展,毛义梅,田庆丰,王延鹏,徐元清,房晓敏,李小红,丁涛。

接枝改性炭黑、白炭黑应用于天然橡胶的性能研究,付文。


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