填料的种类很多，按其在橡胶中的最大的作用可分为补强性填料和增容性填料。前者的最大的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、白炭黑等；后者的最大的作用则是增加胶料容积，从而节约生胶、减少相关成本，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，一般来说，补强剂也有增容的作用，而填充剂也有一定的补强作用；特别是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。通常炭黑、氧化锌在相当大的用量范围内具备比较好的补强效果，常称它们为补强剂；陶土和碳酸钙等补强效果比较小，常称它们为填充剂。

  目前国内外的研究学者对于橡胶产品的研究已经十分成熟，对于橡胶产品的补强最重要的包含两种，一种是添加补强填料，因此研究者致力于找各种性能优良的补强填料，另一种则是通过改性的方式将橡胶以及补强填料，纳米材料来改性，目的是使得这些补强填料得以在橡胶基体中均匀分散，改善纳米填料和橡胶基体的界面分散作用，从而补强橡胶基体的分子结构，达到性能提升的目的。

  炭黑的主要成分是碳元素，其含量在90%～99%之间，还有0.1%～9.0%的氧元素，0.2%～1.0%的氢元素及少量的硫和其他杂质（水分、灰分、沥青质等）。炭黑粒子是由上千个炭黑微晶体围绕着一个中心紧密堆砌而成的。其中，粒径、结构性和表面性质，称为炭黑的三大基本性质，它们对橡胶的工艺性能及补强效果有着根本的影响。

  白炭黑一般专指极细粒子的硅酸、硅酸盐等硅系白色补强剂。白炭黑对各种橡胶都有十分显著的补强效果，尤其对硅橡胶补强作用更佳，在硅橡胶中加入气相法白炭黑，可使其拉伸强度提高约10倍；将白炭黑用于胎面胶代替部分炭黑能改善NR/SBR、NR/BR并用载重胎面的撕裂强度，减少崩花掉块；在胎体胶料或帘布胶料的黏合配方中，采用白炭黑可提高胶料与骨架材料的附着力。

  有了补强性能优异的炭黑、白炭黑，传统的非金属矿物材料还有啥作业和优势?

  在橡胶制品配方设计中，由于客户对产品的质量要求比较高，补强剂大多选用优质炭黑，但是优质炭黑价格比其他无机填料高，填充量有限，在补强的同时减少相关成本的效果不理想。同时，炭黑填充量变化对橡胶制品的硬度等性能影响较大。无机填料具有非常明显的成本优势，丰富的种类使其功能性大幅度提升，在不同的应用场景既可以部分替代价格昂贵的新材料又可以降本，同时发挥出自身的特性。

  普通碳酸钙由于表面活性低，补强效果很小，一般只作廉价填充剂使用，能使胶料容易压出及压延，可获得光滑表面，并能很好地充满模型，使制品轮廓清晰；其硫化胶的回弹性、耐屈挠性较好，永久变形较小，但定伸应力低，耐磨性差。

  活性碳酸钙是指经表面活性剂（脂肪酸、树脂酸等）处理之后得到的碳酸钙，简称活钙，也称胶体碳酸钙、表面改性碳酸钙或白艳华。由于表面包覆了一定量的活性剂，且粒子较小（0.1μm以下），所以在胶料中易分散，并且表现出较好的补强效果，使硫化胶的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性和耐屈挠性都高于普通碳酸钙，并有很好的柔软性。

  目前应用在橡胶中的碳酸钙以重质碳酸钙和普通轻质碳酸钙为主，纳米碳酸钙的应用领域和范围也在逐步扩大，主要使用在于轮胎，电线、电缆，橡胶制品等领域。纳米碳酸钙在橡胶中可起到增加体积，减少相关成本，改进橡胶加工性能的作用。改善加工性能方面，添加纳米碳酸钙的橡胶制品在伸长率、压缩变形、耐屈服性、抗撕裂性方面要远强于普通的碳酸钙。通过特殊工艺处理的纳米碳酸钙，表面活性高，在紫外线照射下，可析出自由移动的电子，极易与氧气或有机物发生反应，杀死病毒和细菌，故纳米碳酸钙还具有杀菌消毒的效用。

  在实际应用中，纳米碳酸钙可部分替代炭黑和白炭黑用于汽车轮胎的生产，但在补强效果方面仍有差距，因此在应用中以受应力较小的部位为主，如胎侧、帘布胶、气密层胶、内层胶、缓冲胶等。纳米碳酸钙与活性氧化锌搭配使用可大幅度的提高轮胎胎面胶的强度。二者组合应用，迎合了环保趋势，减少橡胶制品中重金属锌的含量，同时拓宽了碳酸钙的应用市场。纳米碳酸钙在胶管、胶带中主要起补强、增白，同时提高胶料分散性的效果。

  高岭土是含水的一种铝硅酸盐，属于常见的粘土矿物，这种矿物在橡胶中的实际应用，能够提升橡胶本身的弹性、阻隔性、伸长率以及抗屈挠性。当高岭土借助于加工工艺改性后，高岭土表面含有大量的有机偶联剂分子，这些分子与橡胶基体能够有机的结合到一起，不会发生任何排斥反应。当这些偶联剂分子在橡胶中处于游离状态时，能够遍布橡胶基体的各个角落，填充效果较好。

  蒙脱石是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物，如果利用特殊加工工艺将蒙脱石片状分层进行分解，以纳米尺度的形式游离在橡胶基体内，这些游离颗粒与橡胶基体内的大分子相互结合、缠绕，进而使这些大分子之间的交联点数量增多，加剧了硫化速度，阻滞了分子的移动，分子间产生滑动的可能性大幅度降低。经研究之后发现：呈现出纳米尺寸的蒙脱石分散颗粒与橡胶基体之间具有很强的结合力，静态力学性能优越，邵氏硬度与定伸应力慢慢增加，拉断伸长率慢慢降低，而撕裂强度与拉伸强度呈现出先增加后降低态势。

  滑石粉主要成分为含水硅酸镁，其熔点高，柔软，化学性质不活泼，拥有非常良好的润滑性、抗粘性、耐燃性、抗酸性、绝缘性、吸附性和遮盖性。由于滑石的结晶结构呈层状，具有易分裂的趋向和特殊的润滑性，滑石粉作为填充剂多用于耐酸、耐碱、耐热及绝缘制品，可直接与橡胶混合，不影响硫化，最大填充量可达到100份以上，还能改善胶料在混炼过程中的包辊性能。配有滑石粉的胶料黏着性差，表面十分光滑，门尼黏度比配有硬质陶土的低，适用于橡胶的注射成型。其缺点是撕裂强度较差，永久变形大。

  硫酸钡依据制法的不同，一种是将天然矿石（重晶石）粉碎而制得硫酸钡，称为重晶石粉，其粒度一般在2～25μm范围内，相对密度为4.0～4.5；另一种制法是将重晶石粉用碳还原成可溶性的硫化钡，再用硫酸或硫酸钠与其作用生成硫酸钡。沉淀法硫酸钡的相对密度为4.4～4.5，粒度较小，为0.2～5μm，而且白度大。硫酸钡是一种惰性填料，常用于橡胶耐酸碱制品中，而且因其密度大，亦常用于要求质量大的制品中。此外，还因其具有一定的耐X射线的作用，也可用于防X射线的制品。在某一些场合下，可采用细粒的沉淀硫酸钡作为合成橡胶的补强填充剂，使硫化胶具有较高的撕裂强度，且具有较小的永久变形。

  钛白粉（TiO2）是十分重要的无机功能性颜料，具有优良的性能———无毒、白度和光亮度好、折射率大、遮盖力强，是公认的性能最佳的白色颜料。在防老化、补强领域，金红石型钛白粉拥有非常良好的适用性，它具备比较好的紫外线掩蔽作用，通常在橡胶行业中作为着色剂使用，在白色和彩色橡胶制品中加入二氧化钛纳米颗粒，橡胶制品伸展率大、耐酸碱和日晒、不易开裂和变色。橡胶工业用的钛白粉，大多数都用在汽车轮胎（特别是轿车胎的白色外侧），以及胶鞋（旅游鞋、球鞋、跑鞋等）、橡胶地板、手套、雨衣运动器材（如批秒千毫微、网球高尔夫球的外层都含有钛白粉）等。

  非金属矿物填料种类丰富，每一种材料都有其独特的性质和作用。橡胶体系复杂多样，应用场景越来越高端、复杂，需要更加功能化的产品，在这方面非金属矿物填料具备较高的性价比，功能性解决方案多样化，应用广泛且绿色环保，十分符合发展绿色经济的大趋势。

  武一玄，等：滑石粉和重质碳酸钙在氯丁橡胶中的应用研究，北京橡胶工业研究设计院有限公司