來源：橡膠技術(shù)網(wǎng)

《粒狀填料對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)——理論及實(shí)踐》是由王夢(mèng)蛟、[美]邁克爾·莫里斯（Michael Morris）編著的學(xué)術(shù)專著，2021年化學(xué)工業(yè)出版社出版。該書系統(tǒng)論述填料在橡膠補(bǔ)強(qiáng)中的作用機(jī)理，其理論成果為“液體黃金”輪胎研發(fā)提供技術(shù)支撐。

全書圍繞填料微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)及表面特性對(duì)橡膠性能的影響展開，提出流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、界面效應(yīng)、包容效應(yīng)與聚集效應(yīng)的分析框架。內(nèi)容涵蓋炭黑與白炭黑的制備工藝、填料與橡膠相互作用機(jī)理、混煉膠加工性能與硫化膠力學(xué)性能關(guān)聯(lián)性研究，重點(diǎn)分析填料對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力、抗?jié)窕耘c耐磨性的調(diào)控規(guī)律。書中收錄炭黑化學(xué)改性、雙相填料創(chuàng)新案例，并闡述氣相法二氧化硅在硅橡膠中的應(yīng)用實(shí)踐。

橡膠出現(xiàn)伊始便有了粒狀填料在橡膠中的應(yīng)用。填料的使用一方面提升了膠料的性能，同時(shí)也降低了橡膠的成本。

石灰石粉，重晶石，黏土，高嶺土等均可用于天然橡膠中，不僅降低了材料成本，對(duì)產(chǎn)品性能也無明顯害處。氧化鋅最初用作白色顏料，但隨后發(fā)現(xiàn)其具有一定補(bǔ)強(qiáng)效果，是一種"活性"填料。而炭黑作為一種黑色顏料，即使在填充量很低的情況下也能夠顯著提高硫化膠的性能，尤其是剛性。

1891年Heinzerling和Pahl對(duì)炭黑在橡膠中的效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為出現(xiàn)這些效應(yīng)的部分原因可能與其對(duì)含氧化鋅的硫化體系具有一定活化作用有關(guān)。

1904年，Mote在英格蘭發(fā)現(xiàn)炭黑具有補(bǔ)強(qiáng)作用。當(dāng)填充炭黑后，硫化膠的拉伸強(qiáng)度大大提高。當(dāng)時(shí)橡膠輪胎的使用已經(jīng)10年以上，人們立刻認(rèn)識(shí)到這一發(fā)現(xiàn)的重要性，并進(jìn)一步進(jìn)行了深人研究。結(jié)果表明填充炭黑的輪胎比填充氧化鋅的輪胎具有更優(yōu)異的耐磨性能。

如今，炭黑已經(jīng)是橡膠中最重要的填料，其生產(chǎn)和制造技術(shù)在20世紀(jì)得到長足發(fā)展。全世界的炭黑75%應(yīng)用于輪胎制造，超過了其他所有填料的總和。

同時(shí)，非炭黑類填料也在不斷發(fā)展。1939年第一種補(bǔ)強(qiáng)型非炭黑類填料硅酸鈣問世。它是由氯化鈣和硅酸鈉在溶液中月月沉淀法制備的。隨著這一工藝的進(jìn)一步發(fā)展，用鹽酸將鈣除去，得到顆粒尺寸合適的補(bǔ)強(qiáng)型白炭黑。大約10年后，人們可以在硅酸鈉溶液中直接用沉淀法制備二氧化硅(在橡膠界因其功能像炭黑而稱為白炭黑)。這一方法實(shí)現(xiàn)了白炭黑的工業(yè)化生產(chǎn)，時(shí)至今日仍然是白炭黑最主要的生產(chǎn)工藝。

在1950年，出現(xiàn)了一種無水白炭黑，它是由四氯化硅或三氯硅烷與水蒸氣在氫-氧焰中反應(yīng)制得。由于制備溫度很高(1400C)，這種氣相熱解法白炭黑表面的硅羥基濃度要比沉淀法白炭黑低。后后者二氧化硅含量為88%~92%，灼燒減量為10%~14%，但氣相法白炭黑的二氧化硅含量高達(dá)99.8%。由于其表面硅基濃度較低，純度超高(通常雜質(zhì)含量少于100ppm,1ppm=10-6)以及價(jià)格較貴，氣相法白炭黑通常只用于高端產(chǎn)品，諸如硅橡膠等。

自從1948年沉淀法白炭黑及其硅酸鹽生物實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來，生產(chǎn)商一直致力于將其應(yīng)用在輪胎之中。雖然在鞋底材料中白炭黑很快全部替代了炭黑，也在工業(yè)制品中占據(jù)了一席之地，但是在輪胎中的應(yīng)用僅限于兩方面：在非公路胎胎面膠中，用10~15份白炭黑與炭黑并用以提高抗撕裂性能；纖維簾線或鋼簾線的黏合膠中，用15份白炭黑與炭黑并用，配合間苯二酚/甲醛體系使用，以提高膠料的黏合性能。

20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)導(dǎo)致炭黑價(jià)格暴漲，白炭黑在輪胎中替代炭黑的議題再度引起廣泛關(guān)注。但是當(dāng)石油價(jià)格回落，炭黑供應(yīng)充足時(shí)，白炭黑價(jià)格偏高的問題又凸顯出來，尤其是在日本和北美地區(qū)。所以，要想替代炭黑，白炭黑需要展現(xiàn)它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到輪胎工業(yè)嚴(yán)重的污染問題。從環(huán)保角度考慮，對(duì)駕駛安全，低油耗的長行駛里程輪胎的需求也愈加緊迫。這為白炭黑在輪胎中的應(yīng)用創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。另一方面，雙官能硅烷偶聯(lián)劑的使用可以通過化學(xué)方法調(diào)控白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能。通過對(duì)白炭黑表面特性，聚合物-填料相互作用的系統(tǒng)研究和對(duì)混煉工藝的優(yōu)化，白炭黑作為主填料替代炭黑，已應(yīng)用于"綠色輪胎"胎面膠中。Michelin公司在1992年公開了相關(guān)專利。自此，沉淀法白炭黑在輪胎中的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，不僅局限于胎面膠，在輪胎的其他部位也都有白炭黑的身影。

在過去的20年中，細(xì)粒子填料的補(bǔ)強(qiáng)研究以及新型填料的發(fā)明應(yīng)用均得到了廣泛關(guān)注。但炭黑與白炭黑仍然是橡膠工業(yè)中最為主要的兩種填料，因此本書主要圍繞這兩種填料及其衍生產(chǎn)品進(jìn)行論述。

王夢(mèng)蛟（國際頂尖橡膠科學(xué)家、教授級(jí)高工）

1940年4月生于山東淄博桓臺(tái)，法國國家博士，國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心首席科學(xué)家、怡維怡橡膠研究院院長，業(yè)內(nèi)公認(rèn)全球橡膠填料補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域泰斗。

中國輪胎產(chǎn)量世界第一，但長期基礎(chǔ)研究薄弱；王夢(mèng)蛟帶回國際前沿基礎(chǔ)研究范式，補(bǔ)齊國內(nèi)橡膠理論短板，帶動(dòng)綠色輪胎、高端新材料全產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)，80 多歲仍常駐實(shí)驗(yàn)室?guī)ш?duì)攻關(guān)，被稱作 “一輩子扎根橡膠的老兵”。