CN102242499A - 一种高分散棉短纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分散棉短纤维的制备方法，它包括以下步骤：首先将棉纤维在碱性溶液中进行洗涤，然后将洗涤后的棉纤维以及表面处理剂、隔离分散剂、隔离填料、水等配合物加入到反应器中进行接枝化学反应，然后进行烘干，最后将烘干得到的棉纤维机械剪切，得到0.1～1.0毫米长度的预处理高分散棉短纤维产品。它是一种环保型的棉短纤维分散预处理方法，具有很好的分散性，可均匀的分散在CR、EPDM、SBR、NBR、NR等橡胶基体中。

Description

一种高分散棉短纤维的制备方法

技术领域：本发明涉及一种高分散棉短纤维的制备方法。 

背景技术：近年来短纤维橡胶复合材料的应用越来越广，随着资源和生态的问题，人们越来越重视环境友好型的纤维素纤维为主的天然材料的研究，棉纤维的主要成分为纤维素纤维，与合成纤维相比有着独特的可再生优势，但是未经处理的棉短纤维，由于氢键或原纤化作用而易于集束，在基材中难以均匀分散。棉短纤维作为增强材料添加于基质橡胶中可提高未硫化胶的生胶强度和挺性，降低挤出膨胀率等性能，大幅度提高硫化胶的模量、抗撕裂强度、耐压缩强度等性能，尤其适合在汽车传动带压缩胶中应用。为了改善短纤维在橡胶基质中分散和粘合，前人进行了大量的研究。美国孟山都公司在USP3697364专利中讲到将水、胶乳、抗氧剂以及其它助剂与短纤维按比例混合后，搅拌形成均一的悬浮液，然后将短纤维过滤出来，干燥制得短纤维，改善了其在橡胶中的分散和粘合。用这种方法处理纤维素短纤维有很好的分散性和粘合性，但是短纤维在浸渍过程中会对浸渍液选择性吸附，从而使浸渍液成份发生变化，不利于连续生产，对表面光滑的有机纤维处理效果不明显，其原因是浸渍液不易挂在有机纤维表面。北京化工大学在ZL93117126.1专利中将短纤维、填料、粘合剂、润滑剂、表面活性剂、防老化剂等处理剂体系直接在高速搅拌装置中搅拌，得到表面均匀涂覆的粒状处理物，然后干燥后得到预处理短纤维。 USP4263184专利公开了一种将短纤维和橡胶胶乳共沉形成均一的短纤维预分散体。将短纤维与适当比例的胶乳和水混合，搅拌使其形成均一的悬浮液，然后再在高速搅拌下，加入一定浓度的电解质溶液使胶乳发生凝聚而包覆在短纤维表面制得短纤维预分散体。在悬浮体中还可以加入粘合剂、增塑剂、抗氧剂等来制得不同类型的预处理短纤维。该方法能够使预处理短纤维达到很好的粘合性，但是在高速搅拌机作用下，易出现少量胶乳破乳，使局部短纤维无法得到润滑剂的浸渍，分散困难。GB2138430A公开了一种短纤维预分散体的短纤维-胶乳共沉制备方法：将短纤维加入到一定浓度的凝聚剂中，充分搅拌，再把一定浓度的胶乳在搅拌状态下倒入该悬浮液中，于是胶乳便会凝聚到短纤维的表面上从而得到短纤维预分散体。USP4543377专利公开了一种将短纤维加入水中搅拌形成水分散体，再把该水分散体倒入正在搅拌的橡胶溶液中，这样短纤维就进入橡胶溶液中，分离蒸发有机溶剂，最终得到短纤维预分散体。上述方法预处理的短纤维有很好的分散性，但是对粘合性能改善甚少，因为在凝聚过程中粘合剂很难浸渍到纤维表面发生作用。 

发明内容：本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种高分散棉短纤维的制备方法，它采用接枝化学反应与物理隔离并用的方法，有效的克服了凝聚法和悬浮液浸渍处理短纤维时或阻碍粘合或丧失水溶性处理助剂的缺点。本发明的目的是这样实现的，先将棉纤维70-90份切成30-100毫米长度，然后将其放入清洗容器中，同时加入5-10公斤的碱性溶液，浓度为5-10％，搅拌洗涤10-30分钟，温度40-80℃，将表面处理剂6-15份，隔离分散剂2-10份，隔离填 料2-5份和水70-90份等配合制备成浓度10-30％的水分散液，将碱性溶液洗涤过的棉短纤维和水分散液加入到反应器中进行接枝化学反应，控制温度在70-100℃，反应时间5-30分钟，将棉纤维在干燥箱内烘干，烘干后的纤维含水率在3-10％。将烘干得到的预处理棉纤维在剪切机上进行机械剪切，制得0.1-1.0毫米的预处理棉短纤维产品。本发明主要依据棉纤维对水分散液有很强的吸附作用，使得棉纤维表面上吸附一层分散液，最终能使棉短纤维在橡胶基质中有优异的分散性和粘合性能，充分发挥其在橡胶复合材料中的作用，该方法不使用有毒有害的有机溶剂，对环境无污染。本发明使用的原料棉纤维可以是工业或民用纺织行业下脚料，隔离分散剂与棉纤维有很好的亲和性，能均匀的渗透到纤维表面上，并能在纤维表面形成薄层，表面处理剂与隔离分散剂存在很好的相容性，并且表面处理剂能够与纤维发生化学键结合，所用的表面处理剂是一种或几种橡胶用的偶联剂如：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等，如：双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物(Si69)、氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)、异丙基三(硬脂酰基)钛酸酯(TTS)。目的是偶联剂的一端与棉纤维能够有接枝化学反应，另一端还能够与橡胶形成共硫化反应。所选用的隔离分散剂是一种或几种橡胶常用的增塑剂如：硬脂酸、硬脂酸盐类等，目的是硬脂酸吸附到棉纤维表面上，在与橡胶基质混炼过程中起到润滑分散的作用。所用的隔离填料是一种或几种橡胶用的填充物或者补强剂如：炭黑、白炭黑、滑石粉、陶土、碳酸钙、粘土等。目的是能够有效的隔离开棉纤维，使分散体更均匀。隔离填料在配合过程简单 方便，起到隔离和分散的作用。表现处理剂、隔离分散剂、隔离填料和水等能够制备成均匀的水分散液是本发明重要的特征，在棉纤维表面能够形成均匀涂覆层。水作为介质，可以循环使用，在制备过程中不会产生废气和废水，因此本发明是一种环保型的棉短纤维分散预处理方法。本发明选用适当的水分散处理体系，采用接枝化学反应与物理隔离并用的方法，得到高分散棉短纤维产品可以均匀的分散在CR、EPDM、NBR、SBR、NR等橡胶基体中，有效地克服了凝聚法和悬浮液浸渍处理短纤维时，或阻碍粘合或丧失水溶性处理助剂的缺点。使用水分散处理液相对于以前的凝聚和干混处理方法，还具有更强的渗透性，在棉纤维表面形成的薄膜层更均匀等优点。依据纤维的毛细管效应和吸附效应的共同作用下，在纤维表面和断面形成了对分散液的吸附，因此在棉纤维表面和断面上形成了均匀的分散液涂覆层，并且有接枝化学反应。预处理好的棉短纤维添加时有很好的进料速度，物理机械性能好。加入基体分散过程中，隔离分散剂和隔离填料同时会起到隔离分散作用，因此预处理棉短纤维在基体材料中有很好的分散性。本方法操作简便，工艺简单，预处理棉纤维效果明显。 

下面是本发明的实施例： 

实施例1：最佳实施例 

步骤一，取棉纤维70份，切成30毫米长度，然后将其放入清洗容器内，加入5公斤的碱性溶液，如氢氧化钠、浓度5％，搅拌洗涤10分钟，温度40℃； 

步骤二，取表面处理剂15份，选用双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物，隔离分散剂10份，选用硬脂酸，隔离填料5份，选用白 炭黑和70份水配合，制备成浓度20％的水分散液； 

步骤三，将步骤一得到的棉纤维及步骤二得到的水分散液加入到反应器中进行接枝化学反应，反应温度80℃，反应时间10分钟； 

步骤四，将步骤三得到的棉纤维在干燥箱内烘干，烘干后的纤维含水率3％； 

步骤五，将烘干得到的预处理棉纤维在剪切机上进行机械剪切，制得0.1-1.0毫米的预处理棉短纤维产品。 

实施例2： 

步骤一，取棉纤维80份，切成60毫米长度，然后将其放入清洗容器内，加入8公斤的碱性溶液，浓度8％，搅拌洗涤20分钟，温度70℃； 

步骤二，取表面处理剂10份，选用氨基丙基三乙氧基硅烷，隔离分散剂5份，选用硬脂酸，隔离填料4份，选用白炭黑和80份水配合，制备成浓度15％的水分散液； 

步骤三，将步骤一得到棉纤维及步骤二得到的水分散液加入到反应器中进行接枝化学反应，反应温度70℃，反应时间30分钟； 

步骤四，将步骤三得到的棉纤维在干燥箱内烘干，烘干后的纤维含水率5％； 

步骤五：将烘干得到的预处理棉纤维在剪切机上进行机械剪切，制得0.1-1.0毫米的预处理棉短纤维产品。 

实施例3： 

步骤一，取棉纤维90份，切成80毫米长度，然后将其放入清洗容器内，加入10公斤的碱性溶液，浓度10％，搅拌洗涤30分钟，温 度80℃。 

步骤二，取表面处理剂6份，选用3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，隔离分散剂2份，选用硬脂酸，隔离填料2份，选用白炭黑和90份水配合，制备成浓度10％的水分散液； 

步骤三，将步骤一得到的棉纤维及步骤二得到的水分散液加入到反应器中进行接枝化学反应，反应温度90℃，反应时间10分钟； 

步骤四：将步骤三得到的棉纤维在干燥箱内烘干，烘干后的纤维含水率7％； 

步骤五：将烘干得到的预处理棉纤维在剪切机上进行机械剪切，制得0.1-1.0毫米的预处理棉短纤维产品。 

实施例4： 

步骤一，取棉纤维80份，切成90毫米长度，然后将其加入清洗容器内，加入7公斤的碱性溶液，浓度7％，搅拌洗涤15分钟，温度50℃； 

步骤二，取表面处理剂10份，选用双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物，隔离分散剂5份，选用硬脂酸，隔离填料5份，选用白炭黑和80份水配合，制备成浓度30％的水分散液； 

步骤三，将步骤一得到的棉纤维及步骤二得到的水分散液加入到反应器中进行接枝化学反应，反应温度100℃，反应时间5分钟； 

步骤四，将步骤三得到的棉纤维在干燥箱内烘干，烘干后的纤维含水率6％； 

步骤五：将烘干得到的预处理棉纤维在剪切机上进行机械剪切，制得0.1-1.0毫米的预处理棉短纤维产品。 

实施例5： 

步骤一，取棉纤维90份，切成100毫米长度，然后将其加入清洗容器内，加入9公斤的碱性溶液，浓度9％，搅拌洗涤30分钟，温度70℃； 

步骤二，取表面处理剂6，选用异丙基三(硬脂酰基)钛酸酯，隔离分散剂2份，选用硬脂酸，隔离填料2份，选用粘土和90份水配合，制备成浓度20％的水分散液； 

步骤三，将步骤一得到的棉纤维及步骤二得到的水分散液加入到反应器中进行接枝化学反应，反应温度90℃，反应时间10分钟； 

步骤四，将步骤三得到的棉纤维在干燥箱内烘干，烘干后的纤维含水率10％； 

步骤五：将烘干得到的预处理棉纤维在剪切机上进行机械剪切，制得0.1-1.0毫米的预处理棉短纤维产品。 

上述表面处理剂选用一种或几种橡胶用的偶联剂，如：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等，如双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物(Si69)、氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)、异丙基三(硬脂酰基)钛酸酯(TTS)。 

选用的隔离分散剂是一种或几种橡胶常用的增塑剂，如：硬脂酸、硬脂酸盐类等。

选用的隔离填料是一种或几种橡胶用的填充物或者补强剂，如：炭黑、白炭黑、滑石粉、陶土、碳酸钙、粘土等。 

水分散液能够均匀的渗透到棉纤维表面上，并且表面处理剂能与 棉纤维发生接枝化学反应，而隔离分散剂和隔离填料同时起到物理隔离和分散的作用，制得的预处理棉短纤维产品能够均匀的分散在CR、EPDM、NBR、SBR、NR等橡胶基体中。 

CR：氯丁橡胶 

EPDM：(乙烯和丙烯的共聚体)三元乙丙橡胶 

NBR：丁晴橡胶 

SBR：丁苯橡胶 

NR：天然橡胶。 

Claims (6)

1.一种高分散棉短纤维的制备方法，其特征在于：

a、步骤一，将棉纤维70-90份，切成30-100毫米长度，放入清洗容器内，加入5-10公斤的碱性溶液，浓度5-10％，搅拌洗涤10-30分钟，温度40-80℃；

b、步骤二，将表面处理剂6-15份，隔离分散剂2-10份，隔离填料2-5份和70-90份水配合，制备成浓度10-30％的水分散液；

c、步骤三，将步骤一得到的棉纤维及步骤二得到的水分散液加入到反应器中进行接枝化学反应，控制温度在70-100℃，反应时间5-30分钟；

d、步骤四，将步骤三得到棉纤维在干燥箱内烘干，烘干后的纤维含水率在3-10％；

e、步骤五，将烘干得到的预处理棉纤维在剪切机上进行机械剪切，制得0.1-1.0毫米的预处理棉短纤维产品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的表面处理剂选用硅烷偶联剂，钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂其中的一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的隔离分散剂选用硬脂酸或硬脂酸盐类的其中一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的隔离填料选用炭黑、白炭黑、滑石粉、陶土、碳酸钙、粘土中的其中一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：水分散液能够均匀的渗透到棉纤维表面上，并且表面处理剂能与棉纤维发生接枝化学反应，而隔离分散剂和隔离填料同时起到物理隔离和分散的作用。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：制得的预处理棉短纤维产品能够均匀的分散在CR、EPDM、NBR、SBR、NR等橡胶基体中。