橡胶的补强和填充体系ppt课件

1、第三章第三章 橡胶的补强与填充体系橡胶的补强与填充体系 一何谓补强与填充？一何谓补强与填充？补强：在橡胶中加入一种物质后，使硫化胶的耐磨性、抗补强：在橡胶中加入一种物质后，使硫化胶的耐磨性、抗撕裂强度、拉伸强度、模量、抗溶胀性等性能获得较大提撕裂强度、拉伸强度、模量、抗溶胀性等性能获得较大提高的行为。凡具有这种作用的物质称为补强剂。高的行为。凡具有这种作用的物质称为补强剂。填充：在橡胶中加入一种物质后，能够提高橡胶的体积，填充：在橡胶中加入一种物质后，能够提高橡胶的体积，降低橡胶制品的成本，改善加工工艺性能，而又不明显影降低橡胶制品的成本，改善加工工艺性能，而又不明显影响橡胶制品性能的行为。凡

2、具有这种能力的物质称之为填响橡胶制品性能的行为。凡具有这种能力的物质称之为填充剂。最常用的填充剂主要是无机填料如陶土、碳酸钙充剂。最常用的填充剂主要是无机填料如陶土、碳酸钙、滑石粉、硅铝炭黑等。、滑石粉、硅铝炭黑等。 许多无机填料主要来源于矿物，价格较许多无机填料主要来源于矿物，价格较低，它们的应用范围也越来越广泛。在低，它们的应用范围也越来越广泛。在橡胶工业中它们的用量几乎达到了与炭橡胶工业中它们的用量几乎达到了与炭黑相当的程度。特别是近来无机填料表黑相当的程度。特别是近来无机填料表面改性技术的研究与应用，使无机填料面改性技术的研究与应用，使无机填料的应用领域更加广泛。的应用领域更加广泛。

3、当然，对某一种填料往往是两种作用兼有，其中一种作用为当然，对某一种填料往往是两种作用兼有，其中一种作用为主，例如陶土加到主，例如陶土加到SBRSBR中，主要是填充作用，但也有一定的中，主要是填充作用，但也有一定的补强作用。补强作用。 橡胶工业习惯把补强作用的炭黑等称为补强剂，把基本无补强作用的无机橡胶工业习惯把补强作用的炭黑等称为补强剂，把基本无补强作用的无机填料称为填充剂，这是按作用分类。填料按不同方法分类如下：填料称为填充剂，这是按作用分类。填料按不同方法分类如下：( (一一) )炭黑的分类炭黑的分类 1 1、按制法分、按制法分 该分类方法由四位数码组成一个炭黑的代号该分类方法由四位数码组

4、成一个炭黑的代号( (名称名称) )。第一位是英文字码，。第一位是英文字码，有有N N和和S S两个，代表硫化速度。若是两个，代表硫化速度。若是N N，表示正常硫化速度若是，表示正常硫化速度若是S S，代表硫，代表硫化速度慢。第二位数字从化速度慢。第二位数字从0 0到到9 9共共1010个数字，代表个数字，代表l0l0个系列炭黑的平均粒径个系列炭黑的平均粒径范围。例如范围。例如0 0代表炭黑平均粒径范围在代表炭黑平均粒径范围在1 1一一l0nml0nm这一系列的炭黑，这一系列的炭黑，9 9代表炭代表炭黑平均粒径范围在黑平均粒径范围在20l20l一一500nm500nm这一系列的炭黑。详见表这一

5、系列的炭黑。详见表3 3。 表表3232代号中第三、四位都是数字，这些数字是任选的代表各系列中不同代号中第三、四位都是数字，这些数字是任选的代表各系列中不同牌号间的区别。例如，牌号间的区别。例如，N330N330炭黑就是一种硫化速度正常炭黑就是一种硫化速度正常( (也就是炉法生产的也就是炉法生产的) )，平均粒径范围在平均粒径范围在2630nm2630nm内这个系列中的典型炭黑；内这个系列中的典型炭黑；N347N347是这个系列中高结构是这个系列中高结构的炭黑；的炭黑；N326N326是这个系列中的低结构炭黑；是这个系列中的低结构炭黑；N339N339是这个系列中的新工艺炭黑。是这个系列中的新

6、工艺炭黑。它们的共同特点均有它们的共同特点均有N3N3，后面两位数字表明该系列中不同的规格。，后面两位数字表明该系列中不同的规格。 二、无机填料的分类第一种按制法及组成分类，分为二氧化硅类第一种按制法及组成分类，分为二氧化硅类( (包括气相法和沉淀法包括气相法和沉淀法) )和硅酸盐和硅酸盐类类( (包括硅酸铝和硅酸钙包括硅酸铝和硅酸钙) )。 第二种按第二种按BETBET比表面积分类。对沉淀法白炭黑提出六个等级的比表面积。比表面积分类。对沉淀法白炭黑提出六个等级的比表面积。 （一白炭黑分类（一白炭黑分类 白炭黑有两种分类法。白炭黑有两种分类法。（二碳酸钙的分类方法（二碳酸钙的分类方法 目前世界

7、上所生产的碳酸钙品种规格有目前世界上所生产的碳酸钙品种规格有5050余种。其生产方法基本上有两种：余种。其生产方法基本上有两种： 二、结合橡胶二、结合橡胶结合橡胶也称炭黑凝胶，结合橡胶实质上是填料表面上吸附的橡胶，也就结合橡胶也称炭黑凝胶，结合橡胶实质上是填料表面上吸附的橡胶，也就是填料与橡胶间的界面层中的橡胶。结合橡胶多则补强性强所以结合橡是填料与橡胶间的界面层中的橡胶。结合橡胶多则补强性强所以结合橡胶是衡量炭黑补强能力的标尺。胶是衡量炭黑补强能力的标尺。 结合胶的生成有两个原因：结合胶的生成有两个原因： 一是吸附在炭黑表面上的橡胶分子链与炭黑的表面基团结合，或者橡胶在一是吸附在炭黑表面上的

8、橡胶分子链与炭黑的表面基团结合，或者橡胶在加工过程中经过混炼和硫化产生大量橡胶自由基或离子与炭黑结合，发生化加工过程中经过混炼和硫化产生大量橡胶自由基或离子与炭黑结合，发生化学吸附，这是生成结合胶的主要原因。学吸附，这是生成结合胶的主要原因。 其二是橡胶大分子链在炭黑粒子表面上的那些大于溶解力的物理吸附，要其二是橡胶大分子链在炭黑粒子表面上的那些大于溶解力的物理吸附，要同时解脱所有被炭黑吸附的大分子链并不是很容易的，只要有一、两个被吸同时解脱所有被炭黑吸附的大分子链并不是很容易的，只要有一、两个被吸附的链节没有除掉，就有可能使整个分子链成为结合胶。附的链节没有除掉，就有可能使整个分子链成为结合

9、胶。一、影响结合橡胶的因素一、影响结合橡胶的因素 结合橡胶是由于填料表面对橡胶的吸附产生的，所以任何影响这种吸附结合橡胶是由于填料表面对橡胶的吸附产生的，所以任何影响这种吸附的因素均会影响结合橡胶，其因素是多方面的，以炭黑为典型分述如下：的因素均会影响结合橡胶，其因素是多方面的，以炭黑为典型分述如下： ( (一一) )炭黑比表面积的影响炭黑比表面积的影响 结合胶几乎与填料的比表面积成结合胶几乎与填料的比表面积成正比增加，随比表面积增大，与正比增加，随比表面积增大，与橡胶形成的界面积增大橡胶形成的界面积增大( (当分散程当分散程度相同情况下度相同情况下) )，吸附表面积增大，吸附表面积增大，吸附

10、量增大，即结合橡胶增加。吸附量增大，即结合橡胶增加。 在天然橡胶中试验了在天然橡胶中试验了5 5种炭黑，用量种炭黑，用量5050份，薄通次数从份，薄通次数从0 0到到5050次，结果见图次，结果见图356356。 开始的增加是由于混炼增加分散性，开始的增加是由于混炼增加分散性，增加湿润的作用，同时也增加了大增加湿润的作用，同时也增加了大分子断链。天然橡胶是一种很容易分子断链。天然橡胶是一种很容易产生氧化降解的物质，那些只有产生氧化降解的物质，那些只有两点吸附的大分子链的自由链部分两点吸附的大分子链的自由链部分可能存在于玻璃态层及亚玻璃态层可能存在于玻璃态层及亚玻璃态层外面。这部分橡胶分子链薄通

11、时同外面。这部分橡胶分子链薄通时同样会产生力学断链及氧化断链。这样会产生力学断链及氧化断链。这种断链可能切断了与吸附点的连接，种断链可能切断了与吸附点的连接，这样就会使结合胶量下降。这样就会使结合胶量下降。 ( (三三) )、温度的影响、温度的影响 吸附温度提高，结合胶量提高，这与上述现象相反，混炼温度对结合胶的吸附温度提高，结合胶量提高，这与上述现象相反，混炼温度对结合胶的影响却是混炼温度越高则结合胶越少。综合作用的结果是炼胶温度升高，影响却是混炼温度越高则结合胶越少。综合作用的结果是炼胶温度升高，结合胶下降。结合胶下降。橡胶分子量增加，结合胶增加：橡胶分子量增加，结合胶增加： SBR分子量

12、分子量MtMt/M2000结合胶结合胶（mg/g）结合胶比率（以结合胶比率（以Mv=2000的为的为1）2000145.71134006.760.91.3300000150145.03.2（一容积效应（一容积效应（二弱键和强键学说（二弱键和强键学说（三（三BuecheBueche的炭黑粒子与橡胶链的有限伸长学说的炭黑粒子与橡胶链的有限伸长学说（四壳层模型理论（四壳层模型理论（五橡胶大分子链滑动学说（五橡胶大分子链滑动学说 (1)(1)表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附在炭黑粒子表面上。表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附在炭黑粒子表面上。 (2)(2)当伸长时，这条最短的链不

13、是断裂而是沿炭黑表面滑动，原始状态吸当伸长时，这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表面滑动，原始状态吸附的长度用点标出，可看出滑移的长度。这时应力由多数伸直的链承担，附的长度用点标出，可看出滑移的长度。这时应力由多数伸直的链承担，起应力均匀作用，缓解应力集中为补强的第一个重要因素。起应力均匀作用，缓解应力集中为补强的第一个重要因素。 (3)(3)当伸长再增大，链再滑动，使橡胶链高度取向，承担大的应力，有高当伸长再增大，链再滑动，使橡胶链高度取向，承担大的应力，有高的模量，为补强的第二个重要因素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损耗。的模量，为补强的第二个重要因素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损耗。损耗会消去

14、一部分外力功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强的第三个损耗会消去一部分外力功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强的第三个因素。因素。 (4)(4)是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应力软化效应，胶料回缩后是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应力软化效应，胶料回缩后炭黑粒子间橡胶链的长度差不多一样，再伸长就不需要再滑动一次，所炭黑粒子间橡胶链的长度差不多一样，再伸长就不需要再滑动一次，所需应力下降。需应力下降。 在适宜的情况在适宜的情况( (加膨胀加膨胀) )下，经过长时间，由于橡胶链的热运动，吸附与解下，经过长时间，由于橡胶链的热运动，吸附与解吸附的动态平衡，粒子间分子链长度的重新分布，胶料又恢复

15、至接近于原吸附的动态平衡，粒子间分子链长度的重新分布，胶料又恢复至接近于原始状态。但是如果初次伸长的变形量大、恢复常不超过始状态。但是如果初次伸长的变形量大、恢复常不超过5050。 橡胶中使用长纤维做骨架材料的主要目的在于提高制品的力学强度和橡胶中使用长纤维做骨架材料的主要目的在于提高制品的力学强度和模量，限制其外力作用下的变形。长纤维与橡胶的复合，制造工艺是比较模量，限制其外力作用下的变形。长纤维与橡胶的复合，制造工艺是比较麻烦的。如果在某些制品中能用短纤维代替长纤维做为骨架增强材料，即麻烦的。如果在某些制品中能用短纤维代替长纤维做为骨架增强材料，即可大大简化工艺，又不损害其性能，这将是一件

16、很有意义的事。可大大简化工艺，又不损害其性能，这将是一件很有意义的事。 与炭黑比较，它具有高定伸、耐切割、耐撕裂、耐刺穿、低生热、低与炭黑比较，它具有高定伸、耐切割、耐撕裂、耐刺穿、低生热、低压缩变形等优点，但补强性不如炭黑，加工比粉体填料麻烦。压缩变形等优点，但补强性不如炭黑，加工比粉体填料麻烦。 与长纤维比较它可用一般设备加工，简化了长纤维复合那些繁杂的加与长纤维比较它可用一般设备加工，简化了长纤维复合那些繁杂的加工过程，节约人才、物力和财力，但是在一些重要的橡胶长纤维复合产品中工过程，节约人才、物力和财力，但是在一些重要的橡胶长纤维复合产品中尚不能使用，只能在一部分要求不那么苛刻的需纤维

17、增强的产品中应用。尚不能使用，只能在一部分要求不那么苛刻的需纤维增强的产品中应用。 短纤维已成功地应用于胶管、三角带中，在轮胎、密封制品等各领域也在短纤维已成功地应用于胶管、三角带中，在轮胎、密封制品等各领域也在试用，起到了简化工艺、降低成本、提高经济效益的作用。试用，起到了简化工艺、降低成本、提高经济效益的作用。 6 6减震器中应用减震器中应用 主要利用了短纤维胶料的吸能特点。主要利用了短纤维胶料的吸能特点。 1 1、选用填料的三个原则、选用填料的三个原则符合填充胶料或橡胶制品物理机械性能和成品最终使用性能的符合填充胶料或橡胶制品物理机械性能和成品最终使用性能的要求。要求。符合填充胶料或橡胶

18、制品加工工艺性能的要求。符合填充胶料或橡胶制品加工工艺性能的要求。成本要求和其来源稳定等其他要求。成本要求和其来源稳定等其他要求。 3 3、填料性能特点举例、填料性能特点举例 1.什么是结合橡胶什么是结合橡胶?结合橡胶形成的途径有哪些结合橡胶形成的途径有哪些?哪些因哪些因素影响结合橡胶的生成量素影响结合橡胶的生成量?2用大分子滑动理论解释炭黑对橡胶的补强作用用大分子滑动理论解释炭黑对橡胶的补强作用作业作业六、炭黑与白炭黑的主要应用领域举例：六、炭黑与白炭黑的主要应用领域举例： 美国、西欧和日本胎面也主要用美国、西欧和日本胎面也主要用N300N300系列，但前苏联主要用系列，但前苏联主要用N20

19、0N200系列。系列。欧美主要用欧美主要用N600N600系列。系列。 在具体品种方面，美国在胎面胶中主要用波动阻力与磨耗具有良好平衡在具体品种方面，美国在胎面胶中主要用波动阻力与磨耗具有良好平衡的的N299N299，西欧主要用，西欧主要用N375N375。在轮胎中使用炭黑所以存在这些差别，主要。在轮胎中使用炭黑所以存在这些差别，主要是因为各国情况不同。是因为各国情况不同。 各国对轮胎的安全性、舒适性、经济性要求侧重不同，我国侧重于经济性，各国对轮胎的安全性、舒适性、经济性要求侧重不同，我国侧重于经济性，即耐磨性要好，寿命长；各国用胶情况不同，国外主要用合成胶，我国目即耐磨性要好，寿命长；各国

20、用胶情况不同，国外主要用合成胶，我国目前主要用天然胶；路面苛刻程度不同，我国路面虽然不算好，但行驶速度前主要用天然胶；路面苛刻程度不同，我国路面虽然不算好，但行驶速度低，所以可以算是低苛刻程度的路面。低，所以可以算是低苛刻程度的路面。 炭黑在丁苯橡胶中的使用炭黑在丁苯橡胶中的使用 由于丁苯橡胶是非结晶型橡胶，需要粒径小、补强性高的炭黑进行补由于丁苯橡胶是非结晶型橡胶，需要粒径小、补强性高的炭黑进行补强。粒子细，不仅分散难，而且混炼时生热高，对用于要求动态生热低的强。粒子细，不仅分散难，而且混炼时生热高，对用于要求动态生热低的场合也不利，使用时必须充分注意。丁苯橡胶的另一特点是压出膨胀大，场合也

21、不利，使用时必须充分注意。丁苯橡胶的另一特点是压出膨胀大，收缩也大，因而希望选用结构高的炭黑以有利于压出，还可提高定伸应力收缩也大，因而希望选用结构高的炭黑以有利于压出，还可提高定伸应力和耐磨耗性能。和耐磨耗性能。 炭黑用量一般可高达炭黑用量一般可高达40406060份。炭黑用量高，软化剂用量也要高，同份。炭黑用量高，软化剂用量也要高，同时要注意其在胶料中的分散。时要注意其在胶料中的分散。 白炭黑白炭黑( (二氧化硅二氧化硅) Silica ) Silica 白炭黑有沉淀法白炭黑和气相法之分，白炭黑有沉淀法白炭黑和气相法之分，均以均以SiO2SiO2为主要成分，为白色无定形粉状物，质轻而松散。不溶于水及为主要成分，为白色无定形粉状物，质轻而松散。不溶于水及酸，溶于氢氧化钠及氢氟酸，高温不分解，绝缘性高，有吸湿性。在橡酸，溶于氢氧化钠及氢氟酸，高温不分解，绝缘性高，有吸湿性。在橡胶工业中主要作补强剂，补强效果超过任何一种其它白色补强剂。补强