1.1粘土矿物定义及结构特点粘土矿物是一类含水的铝硅酸盐，具层状结构，颗粒一般小于10f/m，加水后具有不同程度的可塑性。粘土矿物主要包括高岭石族、蒙脱石族、伊利石族等，种类繁多，结构特点为：由S -0构成层状骨豁。，按夹在它们之间的离子种类形成各种层状结构，并沿C轴重叠，具有很大的残缺表面，层间结合力弱，并存在着层内结构不饱和填充与扭曲等。粘土的这些结构层次之间存在着密切的联系和相互转化的可能，尤为重要的是粘土表面存在大量-OH和断键，为粘土矿物的表面改性提供了条件。

　　1.2粘土矿物在橡胶中的作用改性粘土做填料在橡胶中的主要作用：降低成本增大容量。填料可以减少基体物质原胶用量，从而在不显著降低合成橡胶性能的情况下大大降低了橡胶的成本。

　　增强补强作用。粘土表面的活性点可与有机大分子链相结合，形成交联结构，交联点可传递分散应力起加固作用，产品的硬度和强度会明显提高。

　　能。

　　改变橡胶的化学性质，如降低渗透性、改变界面反应性、化学活性、耐水性、耐候性、防火阻燃性等。

　　热电磁性能的改善，如提高热畸变温度、提篼耐电弧性等。

　　2橡胶填料对粘土矿物的要求及粘土矿物的改性方法2.1橡胶填料对粘土矿物的要求粘土矿物做橡胶填料本身具有廉价易得、来源充足、无毒无味、不与基体发生有害反应且改性后混合料工艺性较好、易于分散、稳定性好等一系列优点。除此之外橡胶填料还对粘土矿物在以下三个方面有特定要求：颗粒细度改性粘土的粒度分配情况是影响填料补强性能的重要因素之一。一般要求颗粒要细，粒度分布区域要窄。因为颗粒越细与橡胶接触面积越大，补强效果越好，但要防止因表面能高而引起分散不均匀。如果颗粒分布区域大，*大粒径颗粒是应力集中点，当施以外力时，易从这些点处（即使很少量）发生裂缝或破碎从而显著影响合成橡胶的物理机械性能。

　　尤粒形态粘土矿物多为隐晶质土状集合体，显微镜下为细小髹片状或板状。这种髹片状或板状由粘土矿物的层状结构所决定，此种细小颗粒表面存在大量活性官能团，且易形成断键和残缺表面，为粘土改性提供有利条件。层状结构也使有机离子便于在粘土层间形成插层反应，改善粘土与基体橡胶的相容性。此外，不同形态的矿物微粒对高分子材料的作用效果不同，所得复合材料的性能各异，如板状或片状填料有助于提篼复合体的抗拉、抗撕强度，而粒状矿物有助于提篼矿物的硬度和耐磨性。可根据需要选择不同颗粒形态或组合搭配。

　　表面性质及含水量矿物填料表面性质主要指表面物理性质（比表面积、表面能、表面形态）和表面化学性质（晶体结构、表面官能团等）。填料的活性、填料在基体中的分散性、界面结合状态及表面改性效果有很大影响。表面能大小主要取决于矿物本身，表面能大，增强了与聚合物的粘结力，但粒子易聚集，在篼分子基体中的分散性差。大比表面积矿物填料与高分子基体的接触面积大，结合点多，结合力强，填料性能优越，但需注意保证均匀分散。表面形态与比表面积相关，粒径相同的情况下，多孔矿物具有较大的比表面积。表面化学性质主要指表面存在的官能团，如表面轻基、氧的活化点等，其次是矿物表面缺陷和结构缺陷所造成的价键的不饱和状态。粘土矿物的四面体、八面体中离子被**离子置换引起电性不平衡，在粘土表面形成路易斯酸、布朗斯台德酸都有一定的反应活性，易与空气中的氧气和水结合，而与憎水性的基体胶料不相容，因而要改善粘土与基体界面的结合状况就必须采用适当的方法对粘土矿物表面进行改性处理。

　　粘土矿物做橡胶填料应严格控制其水分含量。水分含量高造成粘土在基体胶料中不易分散且硫化过程中易起泡。一般工艺要求粘土改性前先加热趋除层间水，但要保留结构水以保证粘土结构中有足够的-OH参与粘土表面改性反应。含水量的要求随改性方法（干法、湿法）的不同而不同。在这方面Sadler等人做了较深人研究。

　　2.2粘土矿物填料的改性方法粘土矿物本身的亲水性与憎水的橡胶基体表面性能差异很大，难以直接形成牢固的结合，所以要对粘土矿物表面进行处理以提高矿物填料与橡胶的相容性。填料表面改性方法有化学改性（表面化学处理、包覆处理、单体聚合及插层反应、沉淀反应、接枝反应等），物理改性（超细粉碎、等离子及高能辐射等）及物理与化学相结合的机械力化学改性。

　　表面化学改性处理表面化学改性是通过表面改性剂与矿物表面进行化学反应或吸附的方式完成。按所使用的改性剂可将其分为：表面活性剂改性、偶联剂改性及有机硅改性。

　　表面活性剂包括各种脂肪酸、脂肪酸盐、酯、酰胺等，其中以有机酸*为广泛。表面活性剂分子中一端为亲水性的极性基团，另一端为亲油的非极性基团在用它处理填料矿物时，极性基团吸附于矿物表面而改变填料矿物的表面亲水性，非极性基团与橡胶基体融为一体，增强了填料与橡胶的相容性，使界面层更紧密。用有机酸对填料矿物改性，有助于合成橡胶抗拉强度的提高。膨润土、伊利石等粘土矿物多采用此类改性剂。

　　偶联剂是一种增强无机填料与有机聚合物之间亲和力的有机化合物，偶联剂的种类很多，*常用的有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硼铝酸酯偶联剂、锆类偶联剂等。因偶联剂分子两端具有两种不同性质的官能团，分别与填料和橡胶形成化学键合及交联反应，有利于提高合成橡胶的抗撕强度和硬度等机械性能。由于硅烷偶联剂对含硅的矿物具有特别的亲和性和针对性，用硅烷偶联剂处理粘土矿物，国内已有很多研究。

　　有机硅改性指以硅氧链Si?O-Si为骨架，硅原子上接有有机基团的一类聚合物，*常用的为硅油。它可以通过自身氢键与粘土表面经基结合，从而包覆于矿物表面，使之由亲水性改为疏水性。用此方法改性的填料可改善合成橡胶的耐寒性及机械加工性能。

　　针对不同的粘土矿物种类、改性方法及性能要求寻找不同的改性剂，是填料化学改性课题的主要工作之一。

　　机械力化学改性机械力化学改性是在粉磨过程中加人合适的表面改性剂，利用粉磨时内能升高，物料缺陷增多，产生游离基或电荷不平衡，矿物和改性剂均有较高的反应活性，使它们瞬时地相互作用，从而使改性剂覆盖在矿物表面，达到表面改性的目的。它把物理超细粉碎与化学表面改性结合在一起，具有省时、省工、省能耗、操作方便等优点，是重要的改性方法之一。尤其重要的是，采用机械力化学改性对进一步提篼填料粉体的细度有益，因为矿物被粉碎时，随着粉体表面积的提高，粉体的表面能增加易于发生聚集，而如果矿物在粉碎过程中立即被表面改性，矿物表面能下降，粉碎过程中的再聚集现象也可大大减少，从而可提高粉碎的效果。

　　粘土插层反应及应用粘土层间有一定活性，具有可以吸附、配位其他化合物及离子的能力。这就为某些有机分子及离子插人层间，完成层间聚合反应使粘土层间产生不同程度膨胀，或与粘土形成化合物提供了可能性。目前国内已有这方面的研究，21233，其中用有机胺，如长链季胺盐对粘土进行插层反应，往往可使粘土填料达到层间分子水平分散，所得材料可达纳米级复合，显著改善了普通微米级粘土与高聚物的界面结合状况，使复合物结构更稳定，物理和机械性能更优越。有机物粘土插层方法通过进一步的研究和改进，有望应用于橡胶合成工业中。

　　3常用作橡胶填料的粘土矿物种类及性能特点3.1高岭土填料的应用研究做橡胶填料是高岭土的重要应用领域之一，据估计每年应用于橡胶工业的高岭土达10余万t，然而若使其填充量大，并具备较好的补强效果，甚至在某些情况下替代白炭黑，首先要解决的问题还是高岭土的表面改性问题。高岭土的表面改性效果与高岭土表面交换阳离子的数量和类型相关。比较不同的化学表面改性方法，高岭土的硅烷偶联剂表面改性法*为常用。用此种方法改性后的高岭土应用于橡胶中，对合成橡胶的抗拉、抗撕强度的改善作用较好，加之高岭土廉价易得，可显著降低橡胶成本，在橡胶工业中的应用前景广泛。

　　3.2膨润土填料的应用研究膨润土在橡胶填料方面的应用研究，在国内与高岭土相比相对较少，现有报道主要是用有机胺对膨润土进行表面改性填充于橡胶中，填充量需限定在较低水平，才有较好的补强效果或不显著降低合成橡胶的力学性能。这主要是由于膨润土有强吸水性，水分子的存在破坏了改性土与橡胶大分子之间界面的结合状况，从而影响合成橡胶的物理及机械性能。此外改性膨润土填料的优点是：较炭黑、白炭黑更易与橡胶混合，并能促进其它助剂的分散，显著降低混合能耗，缩短硫化焦烧时间。解决好膨润土在橡胶中的填充量问题，是这方面研究取得进展的关键。

　　3.3伊利石填料的应用研究伊利石类粘土矿物粒度极细，做填料分散性良好，在混炼、挤出、压延等操作中均表现出良好的工艺性能，合成橡胶的拉伸强度、定伸应力、老化系数和扯断伸长率等性能均接近或优于活性轻质碳酸耗、炭黑填充橡胶的性能，是较有发展潜力的一种粘土矿物填料。

　　此外，其它粘土矿物如滑石、云母、叶腊石、凹凸棒石和海泡石经改性处理做填料在橡胶工业中的应用研究也日渐深人118‘27301. 4粘土矿物填料的应用前景填料矿物已成为发展较快、持续稳定增长的工业矿物类。近些年国外在粘土矿物填料方面的研究进展迅速，粘土表面改性方法及机理的探讨较深入、广泛，成果较多，粘土矿物填料的消耗量大。据统计，美国的塑胶年增长率为4%，而填料矿物消耗量的增长率为-19%，可见塑胶矿物填料的生产及应用正日益广泛。

　　我国用矿物做橡胶填料的研究和应用刚刚起步，存在很大的发展潜力。一方面随着中国汽车工业的发展及社会经济的日益繁荣，尤其是人关以后，中国市场对橡胶轮胎的需求量也将日益扩大；另一方面我国粘土矿储量丰富、种类繁多、质优价廉、易于开采。这两方面的结合必将成为我国橡胶矿物填料工业的发展优势。

　　总之，无论是国内还是国外，“绿色橡胶”必然要以其低能耗、**格、高强度、高性能、减少污染等一系列优越性取代传统橡胶而占领橡胶工业品市场。