CN101913275B - 一种气密层用非丁基橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料及其制备方法，特别是指通过采用一种新型纳米叠层复合材料制造方法，制备一种由橡胶和阻隔材料组成的层状复合材料，取代丁基胶，将其用来制备轮胎内胎、无内胎轮胎、密封制品的气密层。本发明中的复合材料制造方法中使用到叠层复合发生器，其组成部分主要有塑化供料装置、汇流器、成型装置，在展宽和变薄再层叠的过程中，橡胶和阻隔材料得到取向，因而获到的层状复合材料具有优异的气密性，所得层状复合材料具有价格便宜、气密性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，涉及一种气密层用复合材料及其制备方法，特别是采用一种新型纳米叠层复合材料制造方法来制备层状复合材料，将其作为各种轮胎的内胎、无内胎轮胎、密封制品的气密层材料。
背景技术
丁基橡胶以其优良气密性等优点广泛应用于轮胎生产。但是在过去几年中，世界丁基橡胶的总消费量呈稳定增长的趋势，年增长率一直保持在2％左右。最近两年需求量有所增加，年均增长率达到约5％。然而，到目前为止，世界上只有美国、德国、俄罗斯、意大利少数几个国家拥有丁基橡胶的生产技术，且对外不转让技术。
虽然丁基橡胶具有气密性好等诸多优点，但其缺点也非常明显。它具有价格昂贵，流动性差，粘结性不好等缺点。于是，为解决丁基橡胶粘结性问题，需要将丁基橡胶卤化。然而，卤化工艺复杂，使其制备成本进一步提高，所以很多使用丁基橡胶的企业把目光转向了丁基橡胶的替代产品——丁基再生橡胶。但是丁基再生橡胶是回收再用的物质，在橡胶制品生产中是较为廉价的低档原料，使用中可能对产品的质量以及生产过程造成一定负面影响。
因此，如果找到一种价格便宜且阻隔性能优于丁基橡胶的复合材料，取代丁基橡胶，将其作为轮胎的内胎、无内胎轮胎、密封制品的气密层材料，可解决以上问题。目前，塑料行业已经出现类似的复合材料，但是在橡胶领域还未有此类材料。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种高分子层状复合材料，即橡胶和阻隔材料制成的层状复合材料，将其代替丁基橡胶，应用于各种轮胎的内胎、无内胎轮胎的气密层；并可推广应用于阻隔性要求高的场合，如各种密封垫圈等。
本发明具体技术方案是：一种气密层用非丁基橡胶复合材料，由橡胶与阻隔材料交替层叠而成，橡胶与阻隔材料都经过叠层复合发生器后形成取向结构，橡胶为成本较低的天然橡胶；阻隔材料为PA、EVOH、PVDC等高分子材料，阻隔材料也可以为蒙脱土与油或乳胶的混合物，阻隔材料也可以为石墨烯与油或乳胶的混合物，通过叠层装置后，具有片状结构的蒙脱土或石墨烯因取向，与橡胶形成的复合材料，由均匀固化的具有气密性的无机片层作为气密材料，和由橡胶复合材料承担强度的层状复合材料得到很好的取向，因而，获到的层状复合材料具有优异的气密性，阻隔材料的层数及每层的厚度由应用场合的要求确定，对于食品包装等的阻隔材料，可以选择具有阻隔性能高分子材料，而对于各种轮胎的内胎、无内胎轮胎等则选择蒙脱土或石墨烯的混合物作为阻隔材料。
本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料，阻隔材料选择为蒙脱土与油或乳胶的混合物，其中的蒙脱土是一种层状结构的硅酸盐，其表面呈亲水性，不利于其在有机相中分散以及被有机相润湿，为克服此性状，必须使蒙脱土表面进行处理使其呈疏水性，从而使蒙脱土与天然橡胶有较好的粘结。
制备上述气密层用非丁基橡胶复合材料的方法是：将橡胶的原料与阻隔材料的原料分别装入熔融塑化供料装置，汇流器将来自n个塑化供料装置的n层熔体叠合成一片，汇流器与叠层复合发生器对接，复合熔体在离开汇流器进入叠层复合发生器的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在叠层复合发生器中继续向前流动时旋转90°并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，在此过程中橡胶和阻隔材料由于展宽作用得到取向，分支熔体在出口端相互汇流成为n×m层的出口熔体，叠层复合发生器入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道尺寸相同；如果串联k个同样的叠层复合发生器，则可得到n×mk层的多层结构复合材料，最后一个叠层复合发生器的熔体在出口不再分割，与成型装置连接后经过成型装置得到层状复合材料，其中的n和m为不小于二的整数，k为不小于一的整数。在展宽和变薄再层叠的过程中，橡胶和阻隔材料得到取向，因而获到的层状复合材料具有优异的气密性。
本发明的有益效果是：采用具有阻隔性能的高分子材料或层状无机材料的混合物，材料来源广泛，成本低，经过取向的橡胶及阻隔材料层叠后得到的复合材料具有气密性好，粘结性好，同时拥有橡胶的优良品质，适合用来制备各种轮胎的内胎、无内胎轮胎及密封制品的气密层，可以替代丁基橡胶，满足市场的需求。
附图说明
图1是本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料截面形貌结构示意图。
图2是本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料制备装置(挤出成型)示意图。
图3是本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料叠层复合原理示意图。
图4是本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料作为气密层材料在子午线轮胎中的应用示意图。
图中：1气密层，1-1橡胶，1-2阻隔材料，2塑化供料装置，3汇流器，4叠层复合发生器，4-1入口熔体，4-2分支熔体，4-3出口熔体，5成型装置。
具体实施方式
下面，将基于本发明的实例进行具体说明，但本发明并非只限定于此实施例。
本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料，由橡胶1-1与阻隔材料1-2交替层叠而成，见图1所示。橡胶1-1为成本较低的天然橡胶；阻隔材料1-2为PA、EVOH、PVDC等高分子材料，阻隔材料1-2也可以为蒙脱土与油或乳胶的混合物(见图1所示)，阻隔材料1-2也可以为石墨烯与油或乳胶的混合物，通过叠层装置后，具有片状结构的蒙脱土或石墨烯因取向，与橡胶1-1形成的复合材料，由均匀固化的具有气密性的无机片层作为气密材料，和由橡胶复合材料承担强度的层状复合材料得到很好的取向，因而，获到的层状复合材料具有优异的气密性，阻隔材料1-2的层数及每层的厚度由应用场合的要求确定，对于食品包装等的阻隔材料1-2，可以选择具有阻隔性能高分子材料，而对于各种轮胎的内胎、无内胎轮胎等则选择蒙脱土或石墨烯的混合物作为阻隔材料1-2。
本发明一种气密层用非丁基橡胶复合材料，阻隔材料1-2选择为蒙脱土与油或乳胶的混合物，其中的蒙脱土是一种层状结构的硅酸盐，其表面呈亲水性，不利于其在有机相中分散以及被有机相润湿，为克服此性状，必须使蒙脱土表面进行处理使其呈疏水性，从而使蒙脱土与橡胶1-1有较好的粘结。
制备本发明气密层用非丁基橡胶复合材料的方法是：将橡胶1-1的原料与阻隔材料1-2的原料分别装入熔融塑化供料装置2，塑化供料装置2为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机，原料在螺杆塑化及加热器作用下成为熔体，汇流器3将来自n个塑化供料装置2的n层熔体叠合成一片，图2所示n为二。汇流器3与叠层复合发生器4对接，复合熔体在离开汇流器3进入叠层复合发生器4的入口熔体4-1沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在叠层复合发生器中继续向前流动时旋转90°并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体4-2，在出口端相互汇流成为n×m层的出口熔体4-3，叠层复合发生器入口熔体4-1通道尺寸与旋转90°的出口熔体4-3通道尺寸相同；如果串联k个同样的叠层复合发生器4，则可得到n×mk层的多层结构复合材料，最后一个叠层复合发生器4的熔体在出口不再分割，与成型装置5连接后经过成型装置5得到层状复合材料，其中的n和m为不小于二的整数，k为不小于一的整数。在展宽和变薄再层叠的过程中，橡胶2和阻隔材料3得到取向，层叠原理见图3所示，因而获到的层状复合材料具有优异的气密性。
本实施例图2所示的挤出过程中，天然橡胶、蒙脱土和油或胶乳的混合物通过加料斗分别进入两个塑化供料装置2，在旋转螺杆的作用下，沿螺槽前进，同时在螺杆剪切、压缩和搅拌作用下，其温度和压力逐步升高，呈现出熔体状态，并以一定压力和温度通过机头进入汇流器3，并在汇流器3中汇集成。汇流器3内的两层入口熔体4-1在离开汇流器3进入叠层复合发生器4后沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在叠层复合发生器形成分支熔体4-2，在出口端相互汇流成为2×m层的叠层结构的出口熔体4-3，如图3所示。本实施例中将两种组分的高分子熔体汇流后经过四等分的叠层复合发生器4，串联八个相同的叠层复合发生器4，可得到的复合材料层数为2×48＝131072层，将多层复合材料挤出为1mm厚度片材时，该复合材料的层间厚度可达到7.63nm。这样八个叠层复合发生器4对接后与成型装置5连接后得到层状复合材料，成型装置5的熔体入口与叠层复合发生器4的熔体出口形状相同，熔体在成型装置5中逐渐过渡到口模需要的截面尺寸，最后获得层状复合材料。获得的层状复合材料经过胎圈成型、帘布裁断、贴三角胶条、带束层成型及硫化工序获得轮胎制品，最终经过测试合格后投入使用。图4所示为子午线轮胎断面剖切示意图，图中的气密层1为本发明的气密层用非丁基橡胶复合材料。
Claims (4)
1.一种气密层用非丁基橡胶复合材料，其特征在于：由橡胶与阻隔材料交替层叠而成，橡胶的原料与阻隔材料的原料经n个熔融塑化供料装置和汇流器后形成n层复合熔体，复合熔体进入叠层复合发生器的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在叠层复合发生器中继续向前流动时旋转90°并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，分支熔体在出口端相互汇流成为n×m层的出口熔体，叠层复合发生器入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道尺寸相同；串联k个同样的叠层复合发生器，则可得到n×mk层的多层结构复合材料，橡胶与阻隔材料都经过叠层复合发生器后形成取向结构。
2.根据权利要求1所述的一种气密层用非丁基橡胶复合材料，其特征在于：橡胶为成本较低的天然橡胶。
3.根据权利要求1所述的一种气密层用非丁基橡胶复合材料，其特征在于：阻隔材料为PA、EVOH或PVDC，或为蒙脱土与油或乳胶的混合物，或为石墨烯与油或乳胶的混合物。
4.权利要求1所述的一种气密层用非丁基橡胶复合材料的制备方法，其特征在于：将橡胶的原料与阻隔材料的原料分别装入熔融塑化供料装置，汇流器将来自n个塑化供料装置的n层熔体叠合成一片，汇流器与叠层复合发生器对接，复合熔体在离开汇流器进入叠层复合发生器的入口熔体沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在叠层复合发生器中继续向前流动时旋转90°并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支熔体，分支熔体在出口端相互汇流成为n×m层的出口熔体，叠层复合发生器入口熔体通道尺寸与旋转90°的出口熔体通道尺寸相同；串联k个同样的叠层复合发生器，则可得到n×mk层的多层结构复合材料，最后一个叠层复合发生器的熔体在出口不再分割，与成型装置连接后经过成型装置得到层状复合材料。
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