高嶺土在生產(chǎn)橡膠管填料中的應(yīng)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(guó)建筑和化工產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，以及環(huán)境和原材料供給的變化，橡膠原材料和橡膠制品的市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)走高，而高嶺土作為生產(chǎn)橡膠管的填料，對(duì)降低橡膠制品的生產(chǎn)成本起到關(guān)鍵的作用。本文通過(guò)對(duì)高嶺土在橡膠管填料中的應(yīng)用特性綜合分析，從多個(gè)角度闡述了高嶺土作為橡膠管填料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。

1 高嶺土介紹

高嶺土的晶體化學(xué)式為2SiO2·Al2O3·2H2O，理論化學(xué)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)方面存在一定變化。當(dāng)前，我國(guó)非煤建造高嶺土資源儲(chǔ)量居世界第五，含煤建造高嶺土資源儲(chǔ)量居世界第一，高嶺土總儲(chǔ)量居世界第二，僅次于美國(guó)。高嶺土之所以能夠在眾多化學(xué)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，主要因其優(yōu)越的理化性質(zhì)。高嶺土具備良好的可塑性、黏結(jié)性、耐火性和電絕緣性及抗酸溶性。高嶺土應(yīng)用價(jià)值的高低與其顆粒的大小相關(guān)，當(dāng)粒度越小時(shí)，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(shí)，粒度越小的高嶺土對(duì)橡膠各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)的補(bǔ)強(qiáng)效果越突出[1]。

2 高嶺土在生產(chǎn)橡膠管填料中的應(yīng)用價(jià)值

橡膠管在生產(chǎn)過(guò)程中需要使用大量填料作為配合劑，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，填料損耗僅次于橡膠。通過(guò)在橡膠中加入填料，能夠有效提高橡膠的各項(xiàng)性能，從而起到良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，提高橡膠管的使用壽命。同時(shí)也存在非補(bǔ)強(qiáng)填料，其主要作用為填充、隔離、著色等。高嶺土作為性能優(yōu)異的材料，在生產(chǎn)橡膠管填料中具有突出的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 對(duì)橡膠管密度和硬度的影響

通過(guò)添加高嶺土，能夠?qū)ο鹉z的密度和硬度形成較為顯著的補(bǔ)強(qiáng)效果，其效用與傳統(tǒng)橡膠管填料炭黑不相上下。在高嶺土和橡膠材料的混煉過(guò)程中，高嶺土粒子和網(wǎng)狀的橡膠分子鏈會(huì)發(fā)生一系列物理以及化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)橡膠的原始結(jié)構(gòu)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(duì)橡膠管的密度性能的補(bǔ)強(qiáng)效果具有極大值，當(dāng)超出此極大值標(biāo)準(zhǔn)后，橡膠管的密度不再上升，反而會(huì)下降。在硬度的補(bǔ)強(qiáng)效果方面，則隨著高嶺土添加量的上升在后期會(huì)出現(xiàn)硬度提高趨勢(shì)減緩的現(xiàn)象，因此在使用高嶺土作為生產(chǎn)橡膠管填料時(shí)，需要對(duì)其用量進(jìn)行精確計(jì)算，從而達(dá)到產(chǎn)品性能和生產(chǎn)成本的最佳平衡。

2.2 對(duì)橡膠管拉伸性能的影響

高嶺土和橡膠材料在混煉過(guò)程中，橡膠分子鏈將吸附在高嶺土粒子之上，同時(shí)在混煉機(jī)的剪切力作用下，使高嶺土粒子表面產(chǎn)生滑動(dòng)，從而導(dǎo)致材料應(yīng)力重新分布，最終促進(jìn)橡膠拉伸性能的提升。但當(dāng)高嶺土填料用量持續(xù)超量增加時(shí)，橡膠分子在高嶺土粒子的表面活動(dòng)能力下降，導(dǎo)致橡膠分子的斷裂概率上升，使其拉伸性能下降[3]。

2.3 對(duì)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(jié)合后，能夠有效提高橡膠復(fù)合材料的塑性值。同時(shí)，高嶺土對(duì)橡膠回彈性的補(bǔ)強(qiáng)效果遠(yuǎn)高于炭黑和白炭黑。

2.4 對(duì)橡膠管熱穩(wěn)定性的影響

由于高嶺土具有顯著的耐火性特質(zhì)，通過(guò)在橡膠中填充高嶺土材料，能夠有效延遲高溫環(huán)境下橡膠的熱分解，明顯提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。其作用原理是通過(guò)稀釋可燃物數(shù)量、阻止熱量流動(dòng)、阻止質(zhì)量流動(dòng)三方面來(lái)有效降低高嶺土/橡膠復(fù)合材料的熱分解效率。

2.5 對(duì)橡膠管阻燃性的影響

通過(guò)在橡膠中填充一定量的高嶺土材料，晶體片層將對(duì)橡膠分子產(chǎn)生圈閉保護(hù)效應(yīng)，能夠在燃燒過(guò)程中有效阻隔熱量的傳遞，同時(shí)稀釋可燃物數(shù)量，提高燃燒氧指數(shù)，從而促進(jìn)復(fù)合材料阻燃性能的提升。經(jīng)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(bǔ)強(qiáng)效能與高嶺土粒徑有著直接聯(lián)系[5]，粒徑小于1μm的高嶺土，對(duì)橡膠具有良好的補(bǔ)強(qiáng)作用，粒徑在5μm以上時(shí)，則主要起填充作用。此外，還可以通過(guò)高嶺土表面的改性使高嶺土能夠和橡膠材料密切結(jié)合，防止出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，提高高嶺土粒子的表面化學(xué)活性、分散性以及同橡膠粒子的相容性等。當(dāng)前高嶺土的改性工藝主要有偶聯(lián)劑改性、煅燒法改性、包膜處理法改性以及有機(jī)硅油改性等。

3.1 偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑改性是指利用偶聯(lián)劑與高嶺土表面的羥基基團(tuán)互相作用從而有效改變高嶺土的表面化學(xué)性質(zhì)。

(1)濕法改性。將高嶺土浸入到偶聯(lián)劑溶液當(dāng)中，通過(guò)攪拌和溫度的影響，使偶聯(lián)劑與高嶺土表面化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行充分反應(yīng)，將高嶺土從溶劑中提取出來(lái)，再使用干燥法將改性后的漿料進(jìn)行干燥，得到改性后的高嶺土。濕法改性具有反應(yīng)效率高的優(yōu)勢(shì)，但存在工藝復(fù)雜以及成本較高的缺陷，對(duì)改性藥劑的浪費(fèi)量較大[6]。

(2)干法改性。將干燥過(guò)后的高嶺土粉放入高速混合器，在一定溫度下啟動(dòng)機(jī)器攪拌，并緩緩加入偶聯(lián)劑溶液和助劑，經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(lián)劑的使用量較小，因此其改性成本較小，但是對(duì)改性設(shè)備具有較高的要求。

偶聯(lián)劑對(duì)高嶺土的改性作用主要是通過(guò)偶聯(lián)劑分子的極性基團(tuán)和高嶺土粒子表面的極性基團(tuán)作用，經(jīng)羥基基團(tuán)脫水縮合反應(yīng)，使高嶺土的親水疏油性質(zhì)變?yōu)槭杷H油性質(zhì)，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(lián)劑種類較多，應(yīng)用較多的主要有硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑以及鈦酸酯偶聯(lián)劑。利用硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯對(duì)高嶺土改性后，對(duì)提升橡膠力學(xué)性能的效果顯著，而經(jīng)鈦酸酯偶聯(lián)劑改性后的高嶺土，在橡膠拉升強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性方面皆具有明顯的補(bǔ)強(qiáng)效果。

3.2 煅燒法改性

煅燒法改性的原理在于通過(guò)煅燒使高嶺土脫水、脫揮發(fā)性物質(zhì)，促進(jìn)高嶺土白度、純度的提升，同時(shí)還可改變高嶺土的晶體結(jié)構(gòu)以及表面性能[7]。經(jīng)過(guò)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(wěn)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(shí)，高嶺土表面羥基開(kāi)始脫去，在650℃時(shí)完全脫羥，成為偏高嶺石，在1000℃左右時(shí)，偏高嶺石出現(xiàn)結(jié)晶化，成為硅鋁尖晶石，在1500℃時(shí)則成為似莫來(lái)石。

3.3 包膜處理法改性

包膜處理法改性是指通過(guò)有機(jī)物或無(wú)機(jī)物材料在高嶺土粒子表面進(jìn)行包膜，從而有效改進(jìn)高嶺土性能，增大其填充補(bǔ)強(qiáng)性質(zhì)。這一方法適用于某些使用要求不高的高嶺土產(chǎn)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(jīng)過(guò)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(jī)硅油改性

有機(jī)硅油改性工藝是先將高嶺土放置在高速加熱混合機(jī)中進(jìn)行攪拌，通過(guò)高溫脫去高嶺土表面的吸附水，而后加入有機(jī)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(huán)境下的電絕緣性能。通常而言，對(duì)高嶺土進(jìn)行有機(jī)硅油改性時(shí)，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(chǎn)橡膠管填料中的應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 填料用量

高嶺土作為橡膠管填料雖能達(dá)成較為明顯的補(bǔ)強(qiáng)效果，在硬度、密度、拉伸性、回彈性、熱穩(wěn)定性、耐火性等方面皆表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，但復(fù)合材料的各項(xiàng)理化性質(zhì)并非隨著高嶺土填料的增加而增加，當(dāng)高嶺土填充量達(dá)到極限時(shí)，橡膠管的各項(xiàng)性能會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。同時(shí)，各項(xiàng)性能的指標(biāo)極限不一，存在某一項(xiàng)性能的最優(yōu)填料數(shù)量反而導(dǎo)致其他性能下降的情況。因此，在將高嶺土作為生產(chǎn)橡膠管填料時(shí)，需要根據(jù)橡膠管的應(yīng)用方向?qū)Ω黜?xiàng)性能進(jìn)行取舍，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行精確計(jì)算，獲取最為科學(xué)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(chǎn)成本

高嶺土的粒徑越小，其補(bǔ)強(qiáng)效果越佳，當(dāng)高嶺土填料粒徑達(dá)到納米級(jí)時(shí)，其能夠賦予橡膠管優(yōu)秀的力學(xué)性能，在阻隔性、熱穩(wěn)定性方面均表現(xiàn)優(yōu)異。然而，納米級(jí)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(bǔ)強(qiáng)性質(zhì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)綜合考慮其生產(chǎn)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(yīng)用性能的前提下，提高其生產(chǎn)效益[10]。

5 發(fā)展方向

相較于國(guó)外高嶺土加工產(chǎn)業(yè)而言，我國(guó)高嶺土行業(yè)在精細(xì)加工以及改性研究方面仍然存在一定差距，對(duì)于高嶺土性能機(jī)制和規(guī)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(wěn)定性和成本仍然差強(qiáng)人意[11]。

為進(jìn)一步提升高嶺土填料在橡膠管填料中作用，應(yīng)深入研究高嶺土的改性機(jī)理，有效提高橡膠管性能，推動(dòng)高檔次橡膠管制品的開(kāi)發(fā)，提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[12]。同時(shí)，結(jié)合新興工藝，提高工藝精度，強(qiáng)化對(duì)高嶺土材料性能的研究，構(gòu)建更為優(yōu)良的高嶺土改性配方。另外，在高嶺土填料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)中，應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)成本優(yōu)化，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備更新、工藝效率提高等手段，降低生產(chǎn)過(guò)程中的人力、物力成本，充分體現(xiàn)高嶺土填料在橡膠管生產(chǎn)中的應(yīng)用效益[13]。

綜上所述，高嶺土在生產(chǎn)橡膠填料中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，在提高橡膠管制品的力學(xué)性質(zhì)以及熱穩(wěn)定性方面有突出的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在高嶺土填料的生產(chǎn)中，可通過(guò)降低粒徑及改性工藝等方法，提高補(bǔ)強(qiáng)效果，保證填料性能達(dá)到相應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，在高性能的橡膠管制品生產(chǎn)中發(fā)揮出重要的作用。