轮胎与橡胶

亲水与疏水气相二氧化硅（fumed silica）牌号在轮胎胎面、工业橡胶制品和弹性体配方中提供卓越的补强性能——将撕裂强度、耐磨性与低滚动阻力有机结合，这是炭黑单独无法实现的。

概述 · 机理 · 产品 · 配混 · 常见问题

气相二氧化硅自 20 世纪 50 年代起便被用作弹性体体系的补强填料，最初应用于硅橡胶——其超大比表面积（BET surface area）所带来的承载网络密度，是沉淀法白炭黑或炭黑在等量添加下无法企及的。在轮胎行业，从纯炭黑胎面配方向硅橡胶-硅烷杂化体系转变——这一转变奠定了商业"绿色轮胎"的基础——使气相二氧化硅从辅助加工助剂跃升为关键性能原料。

与通过湿法化学生产、残留硫酸钠杂质的沉淀法白炭黑不同，气相二氧化硅是通过四氯化硅（SiCl₄）在氢氧火焰中高温火焰水解制备的。所生成的一次粒子（直径 5–50 nm）气溶胶在烧结终止前熔结形成分形聚集体。无水溶性盐、精确受控的表面硅羟基密度以及亚 50 nm 的一次粒子粒径，共同解释了气相二氧化硅在有机橡胶中实现沉淀法白炭黑只能部分复现的补强效率的原因。

关键区别： 气相二氧化硅的高比表面积（150–300 m²/g BET）和窄聚集体粒径分布，使其在较低体积分数下即可形成渗流填料网络，在 15–40 phr 添加量下实现橡胶模量和撕裂强度的提升，而炭黑 N330 需要 50 phr 以上才能大致匹配——且额外获得更低滞后性的优势。

主要应用领域

乘用车轮胎胎面

夏季、四季及超高性能（UHP）轮胎胎面的硅橡胶-硅烷配方，相比炭黑 N234 在 60 °C 时的 tan δ（滚动阻力代理指标）降低 20–30%，同时保持或改善湿地抓地力（0 °C 时的 tan δ）。气相二氧化硅牌号与沉淀法白炭黑混用，以控制配方黏度和填料分散动力学。

硅橡胶（HTV/LSR）

高温硫化（HTV）和液体硅橡胶（LSR）以 20–50 phr 的气相二氧化硅作为主要补强剂。未填充的聚二甲基硅氧烷（PDMS）拉伸强度可忽略（<0.5 MPa）。气相二氧化硅添加至 40 phr 时，拉伸强度可提升至 8–12 MPa，断裂伸长率 >400%。

工业橡胶制品

EPDM、NBR 和 FKM 配方的密封件、垫圈、膜片和减振支座，在热稳定性、耐化学性或透明度要求排除炭黑的场合，使用气相二氧化硅。表面处理牌号（三甲基硅烷基）可防止吸湿并保持配方流变性。

胶黏剂与密封胶

在聚氨酯和硅酮密封胶中，气相二氧化硅同时充当触变剂（thixotropic agent，防止流挂）和拉伸补强剂。这种流变控制与力学补强的双重功能，是气相二氧化硅在白色填料中独有的特性。

理解气相二氧化硅如何增强橡胶，需要区分三种相互关联的现象：填料-聚合物相互作用、填料-填料网络形成，以及硅橡胶界面的应力传递。所有三者都受硅羟基表面化学的显著影响，这也是气相二氧化硅各牌号之间，以及气相法与沉淀法白炭黑之间的主要差异所在。

表面硅羟基化学

气相二氧化硅表面含有孤立硅羟基（≡Si–OH）、孪生硅羟基（=Si(OH)₂）和硅氧烷桥（≡Si–O–Si≡）。以 200 m²/g BET 的亲水 SEMISIL 200 为例，约含 2.5–3.0 OH/nm²，总硅羟基浓度约 750 µmol/g。这些硅羟基与极性弹性体（NBR、HNBR、氯丁橡胶）形成氢键，存在双官能硅烷偶联剂时则形成共价键。

Payne 效应与滞后性： 未改性硅橡胶聚集体形成氢键填料网络（Payne 效应），耗散应变能——表现为高 tan δ 和依赖应变幅度的动态刚度。硅烷处理破坏聚集体间氢键并将硅橡胶接枝到聚合物基体上，消除 Payne 效应，相比未处理配方降低滞后性 15–35%。

撕裂强度机理

含硅橡胶橡胶的撕裂强度来源于裂纹尖端的应力重分布。高模量填料粒子使扩展裂纹发生偏转，迫使裂纹前沿穿越弹性体基体中更长、能量耗散更多的路径。气相二氧化硅亚 50 nm 的一次粒子和分形聚集体几何形态，在相同添加量下最大化了每单位体积中的裂纹偏转次数，优于粒径更大的沉淀法白炭黑。SEMISIL 300（300 m²/g），一次粒子更细（~7 nm）、聚集体表面接触面积更大，在 HTV 硅橡胶体系中提供最高撕裂强度。

耐磨性

含硅橡胶胎面的 DIN 耐磨（ISO 4649）在硅烷偶联保证载荷从软质弹性体基体转移至硬质硅橡胶网络时得到改善。在循环接触应力下，炭黑依赖 sp² 碳-聚合物缠结；气相二氧化硅则依赖含硫功能性硅烷（TESPT、TESPD）形成的共价 C–S–Si 键。共价网络抵抗磨损载荷下的链拔出，在天然橡胶/SBR 乘用车配方中比等量炭黑添加量的耐磨指数高出 10–25%。

滚动阻力与炭黑对比

炭黑（N234）

60 °C 时 tan δ 高（炭黑网络滞后）。湿地抓地力优异。耐磨指数 ≈ 100（DIN 相对值）。配方颜色深黑。无需硅烷。混炼复杂度低。

气相/沉淀法白炭黑 + 硅烷

60 °C 时 tan δ 低（降低 20–30%）。湿地抓地力改善。耐磨指数 ≥ 110–125（DIN 相对值）。配方颜色浅。需要双官能硅烷。混炼温度控制要求更高（硅烷反应温度 145–155 °C）。

加工注意： 硅烷硅烷化反应需要受控排胶温度 145–155 °C，加入白炭黑后混炼时间 ≥2 分钟。硅烷化不充分会留下游离硅羟基，冷却过程中重新聚集，恢复 Payne 效应并抵消滚动阻力增益。

SEMISIL 气相二氧化硅牌号在 ISO 9001:2015 质量管理体系下通过连续火焰水解工艺生产。所有牌号按批出具质量证书，以 15 kg 多层牛皮纸袋或 400 kg 散装 FIBC 吨袋供货。根据目标比表面积（BET surface area）、聚合物体系黏度限制和所需补强强度选择牌号。

SEMISIL 200 为何是轮胎行业首选： 200 m²/g BET 在补强效率与混炼黏度之间取得最佳平衡。高 BET 牌号（300 m²/g）在 ≥25 phr 时 Mooney 黏度显著升高，需要更高混炼能耗和更短批次间隔。低 BET（150 m²/g）可降低配方黏度，但需要更高添加量才能达到等效模量——增加硅烷用量和成本。

按聚合物体系选型

NR/SBR（轮胎）

SEMISIL 200 添加量 15–35 phr，与 30–50 phr 沉淀法白炭黑（如 Zeosil 1165 MP）复配。使用 TESPT（Si-69），用量为总白炭黑重量的 8–10%。两段混炼：第一段加入白炭黑，第二段加入硫黄/促进剂。

HTV 硅橡胶（VMQ）

优选 SEMISIL 300，添加量 30–50 phr。需要结构控制剂（HMDZ 或 DPD），用量 1–3 phr，防止储存过程中生坯硬化（绉化）。过氧化物硫化（DCBP 或 DBPH），用量 0.5–1.0 phr。

EPDM/NBR 密封件

SEMISIL 150，添加量 20–40 phr。乙烯基或甲基丙烯酰基硅烷表面处理可改善相容性。因低萃取物含量，适用于食品级和医药密封件应用。

对比：SEMISIL 200 与标准沉淀法白炭黑

有效的气相二氧化硅补强关键在于分散质量、硅烷硅烷化效率和硫化体系的相容性。以下规程针对 SEMISIL 200 在 NR/SBR 乘用车轮胎胎面配方中经 1.6 L 密炼机（Banbury 型）加工进行了验证，可适配其他弹性体体系和规模。

参考配方：NR/SBR 轮胎胎面（phr）

DPG 说明： 二苯胍（DPG）是硅橡胶-硅烷配方中的关键辅助促进剂，可催化 TESPT 与硅羟基之间的硅烷化反应，降低所需混炼温度或时间。DPG 的法规压力（胺类释放）正推动替代方案评估（如无胍类 TESPD 体系），但 DPG 仍是行业标准。SEMISIL 200 批次间一致的硅羟基量可最大程度降低批次间 DPG 用量波动。

混炼规程（密炼机）

第一段——母炼胶（第一道）

加入 NR+SBR → 混炼 60 s → 加入 SEMISIL 200 + 沉淀法白炭黑 + TESPT + ZnO + 硬脂酸 + 油 → 混炼至排胶温度 145–150 °C，在 140 °C 以上保持 ≥2 min 完成硅烷化 → 排胶 → 拉片 → 冷却至 <40 °C，静置过夜或最少 4 小时。

第二段——终炼（第二道）

将母炼胶回炼 → 加入 DPG → 混炼 60 s → 排胶温度 <110 °C → 在开炼机上加入硫黄 + CBS → 拉片。硫化剂在开炼机上加入以防止焦烧。终炼转子最高转速：40 rpm。

硅烷用量计算

标准 TESPT 用量 = 总白炭黑重量的 8–10%。以上述参考配方（25 phr SEMISIL 200 + 45 phr 沉淀法白炭黑 = 70 phr 总白炭黑）为例：TESPT = 70 × 0.091 = 6.4 phr。高比表面积牌号需按比例增加硅烷：SEMISIL 300 在相同添加量下比 SEMISIL 200 额外需约 0.9 phr TESPT。硅烷不足会留下残余游离硅羟基，增大 Payne 效应和滞后性；硅烷过量会使配方增塑并延迟硫化。

加工提示： SEMISIL 200 的低含水量（<1.5%）可防止蒸汽诱发聚集体团聚（混炼时含水量高的沉淀法白炭黑的常见原因），从而避免填料分散不良。标准储存条件（相对湿度 <70%，5–35 °C）下，SEMISIL 200 使用前无需预干燥。包装袋竖立存放；已开袋的包装须重新密封，并在 24 小时内使用完毕，以防止从环境空气中吸湿。

预期配方性能（160 °C / 20 min 硫化）

为何气相二氧化硅在有机橡胶中需要硅烷偶联剂，而在硅橡胶中不需要？

在聚二甲基硅氧烷（PDMS，硅橡胶）中，聚合物主链的 Si–O 骨架与气相二氧化硅表面的硅氧烷层化学上完全相同。PDMS 链端与硅橡胶硅羟基之间的物理吸附和氢键足以提供界面黏附，无需共价偶联——在标准 HTV 添加量 30–50 phr 下即如此。而有机橡胶（NR、SBR、EPDM）是烃类主链聚合物，与硅橡胶硅羟基之间没有固有化学亲和力。若没有双官能偶联剂（如 TESPT：一端与硅羟基反应，另一端与硫黄硫化网络反应），硅橡胶-橡胶界面较弱，仅靠物理黏附。在循环应变下，该界面发生分离，形成微孔洞，降低拉伸强度、增大滞后性并加速裂纹扩展。TESPT 或 TESPD 硅烷提供共价桥接，使气相二氧化硅在有机橡胶体系中成为真正意义上的化学补强剂。

SEMISIL 200 能否完全替代轮胎胎面配方中的沉淀法白炭黑？

技术上可行，但对大多数轮胎 OEM 供应链而言经济上不现实。SEMISIL 200 添加量 60–70 phr（替换全部沉淀法白炭黑）可提供显著更高的模量和撕裂强度，但也会大幅提高配方 Mooney 黏度（ML 1+4 100 °C 可超过 120 MU，而杂化体系为 65–80 MU），增加密炼机能耗、降低批次产出、提高每千克配方的混炼成本。气相二氧化硅也比沉淀法白炭黑贵 3–4 倍。行业验证的方法是将 SEMISIL 200 以 20–30 phr 与 40–55 phr 沉淀法白炭黑复配使用——获取气相二氧化硅的补强和比表面积贡献，同时保持可加工黏度。对于配方性能优先于成本的高端超高性能（UHP）轮胎，较高的气相二氧化硅比例（≥40% 总白炭黑量）在商业上是合理的。

SEMISIL 200 的货架期及储存方式如何？

密封未开封的 SEMISIL 200，在原包装及 5–35 °C、相对湿度低于 70% 条件下储存，推荐货架期为自生产日起 24 个月。气相二氧化硅在此期间不会发生化学降解，但过度吸湿（超过约 3%）会增强聚集体间氢键，表现为更高的分散能耗和配方中更强的 Payne 效应。在生产环境湿度 >50% 时，已开袋的包装须在 24 小时内用完并密封或转移至密闭容器中。SEMISIL 200 在运输方面不属于 REACH/GHS 有害物品（非结晶、标准操作下不产生可吸入粉尘），但标准白炭黑粉尘防护措施适用：处理散装粉体时应使用局部通风排气和 NIOSH P100 呼吸器，将空气中 PNOC 保持在 3 mg/m³（ACGIH TLV）以下。

SEMISIL 300（300 m²/g）与 SEMISIL 200 在 HTV 硅橡胶应用中有何区别？

SEMISIL 300 更小的一次粒子（7–9 nm，SEMISIL 200 为 9–12 nm）和更高的 BET 比表面积，在等量添加下在 PDMS 中形成更致密的填料网络，在撕裂强度（Die B，ISO 34-1）上提升 15–25%，并改善高温蠕变阻力。但 SEMISIL 300 需要更多结构控制剂（HMDZ 或 DPD）以防止绉化——通常为 2.5–4.0 phr，而 SEMISIL 200 为 1.5–2.5 phr——且配方黏度更高，会延长开炼机加工时间。对于需要在最低填料量下达到最高力学性能（最小化萃取物）的医用级 HTV 硅橡胶（可植入或食品接触），SEMISIL 300 是首选。对于标准工业硅橡胶挤出品和模压件，SEMISIL 200 提供足够的补强性能，同时具有更好的加工性和更低的配方成本。

技术支持 · SEMISIL 产品系列

申请技术数据表

获取 SEMISIL 150、200 和 300 气相二氧化硅牌号的完整分析规格书、批次溯源数据及特定应用配方支持。

申请技术数据表