高新技術在橡膠工業中的應用

     人類在度過了科學技術上充滿發現、創造與發展德不平凡的20世紀之后，開始進入了新的千年。專家預見。21世紀，以物質科學和生命科學的突破，生物技術、信息通信技術、新材料技術的廣泛應用為代表，科學技術將成為人類社會變革與發展的主導力量。高新技術領域很廣，主要有信息通信、生物、新材料、先進制造、航空航天、能源、海洋、環保等，各領域之間相互交叉、融合與集成日益普遍，這種融合與集成孕育著新的技術革命和產業革命。

      高新技術的發展又有力地促進了各種傳統工業的發展，世界橡膠工業也不例外，目前與橡膠工業有關的高新技術領域主要有，信息通信技術、生物技術、新材料技術和光機電一體化技術四大類。橡膠工業的新型原材料、新產品、新設備、新工藝等的進步都受益于高新技術的應用，利用高新技術改造傳統橡膠工業，生產技術向高新技術發展，是將我國建設成世界橡膠工業強國的必由之路。

      一、 新材料技術的應用

      新材料技術被譽為"高技術的基礎"，各工業化國家都把發展新材料技術擺在特殊的戰略位置上。新材料種類有高性能結構材料、電子信息材料、醫用生物材料和納米材料，與橡膠工業較密切的新材料主要是高性能結構和納米材料。

      高性能結構材料是指高強度、高韌性、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等特殊性能的材料。另外，還包括復合材料，是指由基體材料（樹脂、金屬、陶瓷等）和增強劑（有纖維狀的、晶須狀的、顆粒狀的等）復合而成，例如熱塑性樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料及碳及復合材料等。

      納米材料一般是指粒徑在1－100nm間的粒子，既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系統。研究表明，當材料尺寸小于100納米時，由于產生表面效應，量子尺寸效應、體積效應和量子隧道效應等，使材料表現出傳統固體不具有的化學性能、機械性能、電學性能、磁學性能和光學性能等特異性能，從而引起國內外的高度重視，據稱，納米技術將在21世紀引發一場技術革命。

      橡膠工業的原材料分三大類，即主體材料、骨架材料和助劑材料，可以說這三大材料決定了橡膠產品的特性和功能。橡膠工業的發展基本上取決于這三大材料的發展，據預測，今后橡膠工業用主體材料和骨架材料將向高性能結構材料發展，橡膠助劑將向納米材料發展。

      1、 主體材料

      橡膠產品是以天然橡膠為主體材料開始發展起來的，時至今日，所謂的橡膠產品的主體材料已經發生了重大變化，目前橡膠工業使用的主體材料除了天然橡膠、合成橡膠外，還有熱塑性彈性體和液體橡膠。近幾十年來，主體材料最大的變化，莫過于熱塑性彈性體得到了很大發展。

      熱塑性彈性體（TPE）是一類介于橡膠和塑料之間的高分子材料，其兼具橡膠的物理機械性能和塑料的工藝加工性能，同時返回料和廢舊制品還可以重復利用，是一種不同于橡膠和塑料的全新的高分子材料。由于熱塑性彈性體具有以上優越性，自20世紀50年代投放市場以來，得到了迅速發展，其產量60年代的年均增長率層高達16％，進入90年代穩定在7％，1998年產銷量達到114萬噸，2000年達到170萬噸，預計2010年將達250萬噸以上。可以說現在起熱塑性彈性體進入了穩定發展時期。與熱塑性彈性體迅速發展成鮮明對比的是，橡膠和塑料的發展停滯不前，目前橡膠和塑料的年增長率僅1％和2.4％，這充分說明了熱塑性彈性體發展潛力。目前熱塑性彈性體已發展到10幾個品種，已取代一部分天然橡膠和合成橡膠，廣泛應用在除輪胎以外的各種橡膠制品上，如汽車配件（管、帶、墊、板等）、建筑業、制鞋、醫療制品、密封制品、包裝制品、電線電纜、日常生活制品、粘合劑及高分子材料改性等。其中汽車用熱塑性彈性體是大頭，占到三分之一，其次是建筑業、醫用和日用生活制品。但是熱塑性彈性體最大的缺點是耐熱性和動態疲勞性等較差，從而影響了其應用范圍的擴大，特別是迄今為止尚不能成功應用于輪胎是一大遺憾。盡管如此，熱塑性彈性體以其接近橡膠的性能和方便的加工特點以及回收的優越性，使其已在材料領域獲得極大成功，其市場將穩步發展。與此同時，于來遇到的橡膠界專家針對其耐溫性、耐動態疲勞性等比較差展開了大量開發工作，并有了可喜的進展，例如：動態硫化和茂金屬催化技術的應用，使熱塑性彈性體向高性能方向前進了一大步。相信不久的將來，一種完全能取代橡膠的高性能的熱塑性彈性體一定出現，屆時，橡膠工業用主體材料、生產工藝等將發生根本性變化，同時也將能徹底解決廢舊橡膠的回收利用，保護環境的一大難題。

      液體橡膠也是取代橡膠的一種非常有發展前途的主體材料，應該說，液體橡膠是革新橡膠工業的最根本的途徑，它使復雜的固相加工改為簡單的液相加工，砍去了笨重龐大工藝加工設備，大大簡化了加工工藝，使材料混合、成型、硫化實現一體化。液體橡膠中引人注目的是聚氨酯橡膠，產量已達100多萬噸，最初主要用于制鞋和微孔彈性材料，后逐漸用于膠帶、膠管、膠輥等產品，近年來大量用于生產自行車胎、實心胎、工業輪胎及農用輪胎等慢速輪胎。這些產品經久耐用、顏色鮮艷，深受用戶歡迎。但是用于高速輪胎尚處于開發之中。

      2、 骨架材料

      橡膠骨架材料主要有鋼絲、錦綸、滌綸、高強力人造絲和各種短纖維，根據輪胎等橡膠制品性能的要求，對骨架材料的性能要求也越來越高。向高強力、高模量發展是今后橡膠骨架材料的方向。已經應用于輪胎的芳綸纖維是一種很有發展前途的骨架材料，它既有鋼絲的強度，又有纖維的柔性。近年來西歐出售用全芳輪作骨架材料的子午線輪胎，輪胎重量減少約30％，使輪胎的行駛性能，特別是滾動阻力有了大幅度下降，在工程胎中使用可大大提高輪胎的耐刺扎耐切割性能，同時芳綸在齒形帶和運輸帶中也開始了應用，提高了帶體強度和使用壽命。芳綸將是一種極有發展前途的骨架材料。

      美國聯信公司開發成功一種PEN（聚對萘二甲酸已二酯纖維，屬聚酯類纖維）與普通聚酯纖維相比，強度提高20－25％，模量高130％，屈撓疲勞后簾線強力保持率提高5－10％，玻璃化溫度及熔化溫度高，耐熱性好。

      英國SHEII公司開發的POK纖維（聚甲酮纖維）是一種超高強度、超高模量纖維，其強度指數為200（人造絲100、聚酯60、PEN100、芳綸300），模量指數為250（人造絲00、聚酯60、PEN100、芳綸300），而且有極好的耐熱性、收縮率低以及不需浸漬處理。據報道，POK纖維將可能成為21世紀最有希望的輪胎簾線。

      另外，意大利的倍耐力公司、比利時的貝卡爾特公司正在開發一種鋼絲/纖維復合簾線。

      3、 橡膠助劑

      橡膠助劑包括硫化助劑、防護助劑、補強填充劑、粘合助劑、工藝操作助劑和特殊助劑六大類，是橡膠產品的三大原材料之一，其在橡膠產品中的消耗約占橡膠的50％左右，2000年我國約消耗橡膠助劑100萬噸。橡膠助劑中大部分成粉體狀，例如炭黑、白炭黑、等補強填充劑、促進劑、防老劑等。作為粉體狀物質，當今一個重要的發展趨勢是向納米材料發展。

      實際上，納米材料和橡膠工業關系相當密切，大部分粉狀橡膠助劑粒徑都在納米材料范圍或接近納米材料范圍，例如炭黑11－500nm、白炭黑11－110nm。在橡膠產品生產中使用納米材料，從20世紀初使用炭黑補強就開始了，40年代開發成功納米白炭黑補強橡膠，制造輪胎，目前世界上著名的輪胎廠逐漸用白炭黑代替炭黑制造綠色輪胎和節能輪胎，據說已取代5－10％的炭黑。

      納米碳酸鈣是20世紀80年代開始發展起來的，是少數幾種實現工業化的納米材料之一。其粒子細（1－100nm）、比表面積大、白度高，表面經活化處理，易于膠料結合，將其填充在橡膠產品中，能使產品表面光滑，抗張強度高，抗撕裂、耐彎曲、抗龜裂，不僅產品性能比普通碳酸鈣大幅度提高，還可以增容降低成本。粒徑小于20nm的碳酸鈣，其補強作用與白炭黑相當。日本早在20使勁50年代就在橡膠工業中應用納米碳酸鈣品種白艷華等，根據不通的橡膠制品，可以部分和大部分代替炭黑和白炭黑。

      納米氧化鋅不僅提高橡膠制品機械性能，其用量比普通氧化鋅節約30－50％。

      另外，納米粘土、納米三氧化二鋁、納米二氧化鈦等在橡膠工業中的應用也有所進展。由于納米材料的一系列特異性能對于種類繁多橡膠產品大有用武之地，因此，大力推動納米材料在傳統橡膠工業中的應用意義重大。