梁锡治
(中非高岭茂名新材料有限公司，广东 茂名 525000)
随着我国建筑和化工产业的迅速发展，以及环境和原材料供给的变化，橡胶原材料和橡胶制品的市场价格持续走高，而高岭土作为生产橡胶管的填料，对降低橡胶制品的生产成本起到关键的作用。本文通过对高岭土在橡胶管填料中的应用特性综合分析，从多个角度阐述了高岭土作为橡胶管填料的应用优势和应用价值。
高岭土的晶体化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O，理论化学组成为46.54%的SiO2，39.5%的Al2O3，13.96%的H2O，其晶体主要由硅氧四面体以及铝氢氧八面体所组成，两种晶体结构构成了1∶1单位层分布形式，由于八面体片层和四面体片层大小的差异，因此在晶体结构方面存在一定变化。当前，我国非煤建造高岭土资源储量居世界第五，含煤建造高岭土资源储量居世界第一，高岭土总储量居世界第二，仅次于美国。高岭土之所以能够在众多化学生产领域中发挥重要作用，主要因其优越的理化性质。高岭土具备良好的可塑性、黏结性、耐火性和电绝缘性及抗酸溶性。高岭土应用价值的高低与其颗粒的大小相关，当粒度越小时，其可塑性、粘性等均得到较为显著提升，而在作为橡胶管填料时，粒度越小的高岭土对橡胶各项力学性质的补强效果越突出[1]。
橡胶管在生产过程中需要使用大量填料作为配合剂，在实际生产当中，填料损耗仅次于橡胶。通过在橡胶中加入填料，能够有效提高橡胶的各项性能，从而起到良好的补强效果，提高橡胶管的使用寿命。同时也存在非补强填料，其主要作用为填充、隔离、着色等。高岭土作为性能优异的材料，在生产橡胶管填料中具有突出的应用价值。
2.1 对橡胶管密度和硬度的影响
通过添加高岭土，能够对橡胶的密度和硬度形成较为显著的补强效果，其效用与传统橡胶管填料炭黑不相上下。在高岭土和橡胶材料的混炼过程中，高岭土粒子和网状的橡胶分子链会发生一系列物理以及化学反应，进而对橡胶的原始结构造成影响，使橡胶的密度和硬度得到提升[2]。值得注意的是，高岭土作为填料对橡胶管的密度性能的补强效果具有极大值，当超出此极大值标准后，橡胶管的密度不再上升，反而会下降。在硬度的补强效果方面，则随着高岭土添加量的上升在后期会出现硬度提高趋势减缓的现象，因此在使用高岭土作为生产橡胶管填料时，需要对其用量进行精确计算，从而达到产品性能和生产成本的最佳平衡。
2.2 对橡胶管拉伸性能的影响
高岭土和橡胶材料在混炼过程中，橡胶分子链将吸附在高岭土粒子之上，同时在混炼机的剪切力作用下，使高岭土粒子表面产生滑动，从而导致材料应力重新分布，最终促进橡胶拉伸性能的提升。但当高岭土填料用量持续超量增加时，橡胶分子在高岭土粒子的表面活动能力下降，导致橡胶分子的断裂概率上升，使其拉伸性能下降[3]。
2.3 对橡胶管回弹性能的影响
由于高岭土具有可塑性，因此高岭土粒子与橡胶分子结合后，能够有效提高橡胶复合材料的塑性值。同时，高岭土对橡胶回弹性的补强效果远高于炭黑和白炭黑。
2.4 对橡胶管热稳定性的影响
由于高岭土具有显著的耐火性特质，通过在橡胶中填充高岭土材料，能够有效延迟高温环境下橡胶的热分解，明显提高复合材料的热稳定性。其作用原理是通过稀释可燃物数量、阻止热量流动、阻止质量流动三方面来有效降低高岭土/橡胶复合材料的热分解效率。
2.5 对橡胶管阻燃性的影响
通过在橡胶中填充一定量的高岭土材料，晶体片层将对橡胶分子产生圈闭保护效应，能够在燃烧过程中有效阻隔热量的传递，同时稀释可燃物数量，提高燃烧氧指数，从而促进复合材料阻燃性能的提升。经研究表明，在高岭土材料所填充的天然橡胶中，其阻燃性能与白炭黑相等，但略低于炭黑[4]。
高岭土的补强效能与高岭土粒径有着直接联系[5]，粒径小于1μm的高岭土，对橡胶具有良好的补强作用，粒径在5μm以上时，则主要起填充作用。此外，还可以通过高岭土表面的改性使高岭土能够和橡胶材料密切结合，防止出现团聚现象，提高高岭土粒子的表面化学活性、分散性以及同橡胶粒子的相容性等。当前高岭土的改性工艺主要有偶联剂改性、煅烧法改性、包膜处理法改性以及有机硅油改性等。
3.1 偶联剂改性
偶联剂改性是指利用偶联剂与高岭土表面的羟基基团互相作用从而有效改变高岭土的表面化学性质。
(1)湿法改性。将高岭土浸入到偶联剂溶液当中，通过搅拌和温度的影响，使偶联剂与高岭土表面化学基团进行充分反应，将高岭土从溶剂中提取出来，再使用干燥法将改性后的浆料进行干燥，得到改性后的高岭土。湿法改性具有反应效率高的优势，但存在工艺复杂以及成本较高的缺陷，对改性药剂的浪费量较大[6]。
(2)干法改性。将干燥过后的高岭土粉放入高速混合器，在一定温度下启动机器搅拌，并缓缓加入偶联剂溶液和助剂，经过一段时间的处理后，则可以得到改性的高岭土填料。干法改性中偶联剂的使用量较小，因此其改性成本较小，但是对改性设备具有较高的要求。
偶联剂对高岭土的改性作用主要是通过偶联剂分子的极性基团和高岭土粒子表面的极性基团作用，经羟基基团脱水缩合反应，使高岭土的亲水疏油性质变为疏水亲油性质，从而提升高岭土与橡胶分子之间的相容性。目前用于高岭土表面改性的偶联剂种类较多，应用较多的主要有硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂以及钛酸酯偶联剂。利用硅烷偶联剂和钛酸酯对高岭土改性后，对提升橡胶力学性能的效果显著，而经钛酸酯偶联剂改性后的高岭土，在橡胶拉升强度、撕裂强度、耐磨性方面皆具有明显的补强效果。
3.2 煅烧法改性
煅烧法改性的原理在于通过煅烧使高岭土脱水、脱挥发性物质，促进高岭土白度、纯度的提升，同时还可改变高岭土的晶体结构以及表面性能[7]。经过煅烧的高岭土密度更小、白度更高、吸油性增加并且在绝缘性和热稳定性方面皆有所提升。另外，在不同的煅烧温度下，高岭土的成品不同，一般在500℃时，高岭土表面羟基开始脱去，在650℃时完全脱羟，成为偏高岭石，在1000℃左右时，偏高岭石出现结晶化，成为硅铝尖晶石，在1500℃时则成为似莫来石。
3.3 包膜处理法改性
包膜处理法改性是指通过有机物或无机物材料在高岭土粒子表面进行包膜，从而有效改进高岭土性能，增大其填充补强性质。这一方法适用于某些使用要求不高的高岭土产品，主要的包膜材料有硬脂酸、聚乙二醇、二氧化钛等。如可利用液相沉积法在高岭土表面裹上一层二氧化钛包膜，从而有效提升高岭土的遮盖力，而经过二氧化钛包膜的高岭土可以作为钛白粉的替代品。
3.4 有机硅油改性
有机硅油改性工艺是先将高岭土放置在高速加热混合机中进行搅拌，通过高温脱去高岭土表面的吸附水，而后加入有机硅油搅拌均匀，在高岭土外层表面形成疏水膜，从而有效提高高岭土的疏水性能，使其在填充后能够有效提高橡胶材料在潮湿环境下的电绝缘性能。通常而言，对高岭土进行有机硅油改性时，其硅油用量一般占煅烧高岭土总量的1%～3%。
4.1 填料用量
高岭土作为橡胶管填料虽能达成较为明显的补强效果，在硬度、密度、拉伸性、回弹性、热稳定性、耐火性等方面皆表现出显著的优势，但复合材料的各项理化性质并非随着高岭土填料的增加而增加，当高岭土填充量达到极限时，橡胶管的各项性能会出现下降的趋势。同时，各项性能的指标极限不一，存在某一项性能的最优填料数量反而导致其他性能下降的情况。因此，在将高岭土作为生产橡胶管填料时，需要根据橡胶管的应用方向对各项性能进行取舍，通过试验进行精确计算，获取最为科学合理的填料用量，有效提升橡胶管的使用性能和使用寿命[8]。
4.2 生产成本
高岭土的粒径越小，其补强效果越佳，当高岭土填料粒径达到纳米级时，其能够赋予橡胶管优秀的力学性能，在阻隔性、热稳定性方面均表现优异。然而，纳米级的高岭土在成本上要高于其他高岭土[9]。因此，在考虑提高高岭土填料补强性质时，应当通过综合考虑其生产成本，选用合适的改性高岭土材料或低粒径材料，从而能够在保证橡胶管应用性能的前提下，提高其生产效益[10]。
相较于国外高岭土加工产业而言，我国高岭土行业在精细加工以及改性研究方面仍然存在一定差距，对于高岭土性能机制和规律的研究尚不够深入。因此，在制备高性能的橡胶管材料方面其稳定性和成本仍然差强人意[11]。
为进一步提升高岭土填料在橡胶管填料中作用，应深入研究高岭土的改性机理，有效提高橡胶管性能，推动高档次橡胶管制品的开发，提高行业竞争力[12]。同时，结合新兴工艺，提高工艺精度，强化对高岭土材料性能的研究，构建更为优良的高岭土改性配方。另外，在高岭土填料生产工艺的改进中，应加强生产成本优化，通过自动化设备更新、工艺效率提高等手段，降低生产过程中的人力、物力成本，充分体现高岭土填料在橡胶管生产中的应用效益[13]。
综上所述，高岭土在生产橡胶填料中的应用优势明显，在提高橡胶管制品的力学性质以及热稳定性方面有突出的应用价值。同时，在高岭土填料的生产中，可通过降低粒径及改性工艺等方法，提高补强效果，保证填料性能达到相应的产品应用标准，在高性能的橡胶管制品生产中发挥出重要的作用。
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