高新技術(shù)在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用

     人類在度過了科學(xué)技術(shù)上充滿發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造與發(fā)展德不平凡的20世紀之后，開始進入了新的千年。專家預(yù)見。21世紀，以物質(zhì)科學(xué)和生命科學(xué)的突破，生物技術(shù)、信息通信技術(shù)、新材料技術(shù)的廣泛應(yīng)用為代表，科學(xué)技術(shù)將成為人類社會變革與發(fā)展的主導(dǎo)力量。高新技術(shù)領(lǐng)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(huán)保等，各領(lǐng)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(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。

      高新技術(shù)的發(fā)展又有力地促進了各種傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展，世界橡膠工業(yè)也不例外，目前與橡膠工業(yè)有關(guān)的高新技術(shù)領(lǐng)域主要有，信息通信技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)和光機電一體化技術(shù)四大類。橡膠工業(yè)的新型原材料、新產(chǎn)品、新設(shè)備、新工藝等的進步都受益于高新技術(shù)的應(yīng)用，利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)橡膠工業(yè)，生產(chǎn)技術(shù)向高新技術(shù)發(fā)展，是將我國建設(shè)成世界橡膠工業(yè)強國的必由之路。

      一、 新材料技術(shù)的應(yīng)用

      新材料技術(shù)被譽為"高技術(shù)的基礎(chǔ)"，各工業(yè)化國家都把發(fā)展新材料技術(shù)擺在特殊的戰(zhàn)略位置上。新材料種類有高性能結(jié)構(gòu)材料、電子信息材料、醫(yī)用生物材料和納米材料，與橡膠工業(yè)較密切的新材料主要是高性能結(jié)構(gòu)和納米材料。

      高性能結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)合而成，例如熱塑性樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料及碳及復(fù)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(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。研究表明，當(dāng)材料尺寸小于100納米時，由于產(chǎn)生表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等，使材料表現(xiàn)出傳統(tǒng)固體不具有的化學(xué)性能、機械性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能等特異性能，從而引起國內(nèi)外的高度重視，據(jù)稱，納米技術(shù)將在21世紀引發(fā)一場技術(shù)革命。

      橡膠工業(yè)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(chǎn)品的特性和功能。橡膠工業(yè)的發(fā)展基本上取決于這三大材料的發(fā)展，據(jù)預(yù)測，今后橡膠工業(yè)用主體材料和骨架材料將向高性能結(jié)構(gòu)材料發(fā)展，橡膠助劑將向納米材料發(fā)展。

      1、 主體材料

      橡膠產(chǎn)品是以天然橡膠為主體材料開始發(fā)展起來的，時至今日，所謂的橡膠產(chǎn)品的主體材料已經(jīng)發(fā)生了重大變化，目前橡膠工業(yè)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(fā)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(fù)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(yōu)越性，自20世紀50年代投放市場以來，得到了迅速發(fā)展，其產(chǎn)量60年代的年均增長率層高達16％，進入90年代穩(wěn)定在7％，1998年產(chǎn)銷量達到114萬噸，2000年達到170萬噸，預(yù)計2010年將達250萬噸以上。可以說現(xiàn)在起熱塑性彈性體進入了穩(wěn)定發(fā)展時期。與熱塑性彈性體迅速發(fā)展成鮮明對比的是，橡膠和塑料的發(fā)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(fā)展?jié)摿ΑＤ壳盁崴苄詮椥泽w已發(fā)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(yīng)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(yè)、制鞋、醫(yī)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(yè)、醫(yī)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(tài)疲勞性等較差，從而影響了其應(yīng)用范圍的擴大，特別是迄今為止尚不能成功應(yīng)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(yōu)越性，使其已在材料領(lǐng)域獲得極大成功，其市場將穩(wěn)步發(fā)展。與此同時，于來遇到的橡膠界專家針對其耐溫性、耐動態(tài)疲勞性等比較差展開了大量開發(fā)工作，并有了可喜的進展，例如：動態(tài)硫化和茂金屬催化技術(shù)的應(yīng)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(xiàn)，屆時，橡膠工業(yè)用主體材料、生產(chǎn)工藝等將發(fā)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(huán)境的一大難題。

      液體橡膠也是取代橡膠的一種非常有發(fā)展前途的主體材料，應(yīng)該說，液體橡膠是革新橡膠工業(yè)的最根本的途徑，它使復(fù)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(shè)備，大大簡化了加工工藝，使材料混合、成型、硫化實現(xiàn)一體化。液體橡膠中引人注目的是聚氨酯橡膠，產(chǎn)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(chǎn)品，近年來大量用于生產(chǎn)自行車胎、實心胎、工業(yè)輪胎及農(nóng)用輪胎等慢速輪胎。這些產(chǎn)品經(jīng)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(fā)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(jù)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(fā)展是今后橡膠骨架材料的方向。已經(jīng)應(yīng)用于輪胎的芳綸纖維是一種很有發(fā)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(yīng)用，提高了帶體強度和使用壽命。芳綸將是一種極有發(fā)展前途的骨架材料。

      美國聯(lián)信公司開發(fā)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(fā)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(shù)為200（人造絲100、聚酯60、PEN100、芳綸300），模量指數(shù)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(jù)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(fā)一種鋼絲/纖維復(fù)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(chǎn)品的三大原材料之一，其在橡膠產(chǎn)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(zhì)，當(dāng)今一個重要的發(fā)展趨勢是向納米材料發(fā)展。

      實際上，納米材料和橡膠工業(yè)關(guān)系相當(dāng)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(chǎn)品生產(chǎn)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(fā)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(jié)能輪胎，據(jù)說已取代5－10％的炭黑。

      納米碳酸鈣是20世紀80年代開始發(fā)展起來的，是少數(shù)幾種實現(xiàn)工業(yè)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(jīng)活化處理，易于膠料結(jié)合，將其填充在橡膠產(chǎn)品中，能使產(chǎn)品表面光滑，抗張強度高，抗撕裂、耐彎曲、抗龜裂，不僅產(chǎn)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(dāng)。日本早在20使勁50年代就在橡膠工業(yè)中應(yīng)用納米碳酸鈣品種白艷華等，根據(jù)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(jié)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(yè)中的應(yīng)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(chǎn)品大有用武之地，因此，大力推動納米材料在傳統(tǒng)橡膠工業(yè)中的應(yīng)用意義重大。