CN103435875B - 一种高耐磨橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨长寿命橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶及其制备方法。首先选择耐磨性能优异的丁苯橡胶和弹性好的天然橡胶为主体原料，利用插层法制备纳米层状硅酸盐，然后通过机械共混法将其与橡胶及其配合剂强力混合，制备橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料覆盖胶。由于所制备的复合材料中层状硅酸盐以纳米片层的形式均匀分散在体系中，且与橡胶基体具有很好的结合力，大幅度地同步提高复合材料及输送带的耐磨性能、撕裂强度、耐老化、耐介质、耐热性能和阻燃性能等，提高了输送带的使用寿命。本发明所制备的输送带使用寿命长，性价比高。具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种高耐磨橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶及其制备方法。
背景技术
橡胶输送带是一种重要的橡胶产品，是现代工业物料及产品输送的重要手段，广泛应用于煤矿、电力、水泥、钢铁、化工、港口等国民经济的各个部门，其用量极大，在橡胶产品中仅次与轮胎。提高输送带的使用寿命是输送带行业提高质量的最重要的研究方向，也是科技工作者一直致力于解决的最重要的问题。而目前影响输送带寿命的因素中，95%以上是输送带覆盖胶磨耗磨损掉，露出骨架材料而失去实用价值。其它主要是使用不当而导致破坏。输送带覆盖胶的耐磨性能好坏就成为影响使用寿命的最重要也是最关键的因素。因此，如何提高输送带覆盖胶耐磨性能是当前提高输送带质量，延长使用寿命的最重要的课题。
影响覆盖胶的实际耐磨性能的是一个综合因素，除了实验室测试的覆盖胶本身的耐磨性能外，实际使用中还与抗撕裂性能（实际使用中因棱状物割伤覆盖胶而加速磨耗），耐老化性能（实际使用中因老化而降低了覆盖胶的耐磨性能），耐介质性能（因环境油污，酸碱等接触覆盖胶导致覆盖胶溶胀等而降低了覆盖胶的耐磨性能）等性能密切相关。
长期以来，提高输送带覆盖胶的耐磨性能的方法主要是加入炭黑和白炭黑等补强剂，然而这些补强剂需要大量加入才能显著提高耐磨性能（而且严重污染），而且橡胶基质中添加到一定量时，综合物理机械性能已达极限，继续提高添加量反而会导致胶料工艺性能差、产品硬度高、弹性下降、使用过程中导致材料早期破坏。因此如何提高覆盖胶的耐磨性能，进而提高输送带的使用寿命一直是一个严重的瓶颈问题。寻找一种综合性能优异的补强剂（主要是耐磨）是科技工作者长期以来一直致力于研究的重要课题。
橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料的研究为输送带的耐磨性能提高提供了一个新的契机。层状硅酸盐是一种天然矿物，其本身就是层状的纳米级结构，它由直径约100纳米，厚度约1纳米的片层，靠范德华力叠加在一起构成。通过有效的手段对层状硅酸盐进行化学处理，再与橡胶复合，可在剪切作用下使层状硅酸盐实现层间剥离，进而以纳米片层的形式分散在橡胶基体中。研究表明，加入很少量（3wt%重量份）的层状硅酸盐，即可使得橡胶的拉伸强度、耐磨性能、撕裂性能、耐老化性能和耐介质性能等综合性能显著提高，而工艺性能不变。
长期以来，人们一直没有间断对此课题的探索。中国专利“一种输送带用覆盖层用粘土/橡胶纳米复合材料及其制备方法”（申请号201110404103.0，公开号CN102516610A）公开了一种先采用乳液共沉法，将粘土（层状硅酸盐）直接加入天然橡胶胶乳中进行凝聚，制备天然橡胶/层状硅酸盐共沉胶制成母胶，然后再与合成橡胶及其配合剂进行复合，制备粘土/橡胶纳米复合材料作为输送带覆盖层。此方法只能制备以天然橡胶为基础胶的粘土/橡胶纳米复合材料输送带覆盖层，并且需要先用天然橡胶乳液与粘土共沉复合，且生产过程复杂费时。但是上述技术方案制备方法较繁琐，而且没有显著的改善输送带的性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提出了一种高耐磨长寿命橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶及其制备方法。本发明选择耐磨性能优异的丁苯橡胶和弹性好的天然橡胶为主体原料，将橡胶与有机改性层状硅酸盐、硫化剂及硫化助剂、填充补强剂、防老剂及软化剂等通过机械混合方法制备橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料，将此复合材料与骨架材料复合制备输送带。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种高耐磨橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶，它包括以下组分：丁苯橡胶和天然橡胶共100重量份，有机改性层状硅酸盐1-50重量份，硫化剂1-8重量份，填充补强剂1-80重量份，防老剂1-5重量份及软化剂1-50重量份，所述丁苯橡胶和天然橡胶的重量比例为30-50：70-50。
本发明还提供了所述的高耐磨橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶的制备方法，它包括以下步骤：称量所述用量的丁苯橡胶和天然橡胶、有机改性层状硅酸盐、硫化剂、填充补强剂、防老剂及软化剂，通过机械混合、混炼步骤制备橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明公开了一种高耐磨长寿命橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶及其制备方法。首先选择耐磨性能优异的丁苯橡胶和弹性好的天然橡胶为主体原料，利用插层法制备纳米层状硅酸盐，然后通过机械共混法将其与橡胶及其配合剂强力混合，制备橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料覆盖胶，再将该复合材料与骨架材料复合，制备高耐磨长寿命织物芯输送带。
本发明的优越性在于：（1）丁苯橡胶与天然橡胶并用作为基础胶，两种橡胶性能取长补短，相得益彰，既发挥了丁苯橡胶的耐磨优异的特性，又发挥了天然橡胶弹性好的特点，为织物芯输送带打好了基本基础；（2）加入少量有机改性层状硅酸盐，层状硅酸盐以纳米片层的形式均匀分散在体系中，且与橡胶基体具有很好的结合力，大幅度地同步提高复合材料及输送带的耐磨性能、撕裂强度、耐老化、耐介质、耐热性能和阻燃性能等，提高了输送带的使用寿命，产品性价比高；（3）通过机械共混的方法方法制备输送带覆盖胶，可在不改变现有输送带炼胶及生产工艺的前提下进行覆盖胶及输送带的生产，工艺简单，生产成本低，容易实现工业化。
本发明可在不改变现有橡胶输送带基本生产工艺的前提下进行新型高性能输送带的生产，工艺简单。所制备的输送带使用寿命长，性价比高。具有重要的应用价值。
结合阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
本发明所述高耐磨橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶的制备方法包括以下步骤：
1、原材料组份
组份（A）为橡胶，组份（B）为有机改性层状硅酸盐（详见有机改性层状硅酸盐的制备），；组分（C）为硫化剂及硫化助剂，组分（D）为填充补强剂，组分（E）为防老剂，组分（F）为软化剂。
2、有机改性层状硅酸盐（组分B）的制备
将层状硅酸盐矿经除杂质、除砂、过筛等手段进行纯化、干燥后，用球磨机将层状硅酸盐研磨，用325目的筛子过筛，得到的层状硅酸盐的离子交换量为96.4meq/100g。将1.8g十二胺溶解于60℃的1000ml的0.01M HCL制得溶液，10g层状硅酸盐逐渐加入此溶液中，得到的悬浮液剧烈震荡3h，再用去离子水多次洗涤，过滤残留物在80℃下真空干燥12h，再磨细经325目的筛子过筛便得有机改性层状硅酸盐。
3、橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料的制备
采用可变频调速密闭式炼胶机，首先加入丁苯橡胶和天然橡胶、有机改性层状硅酸盐、填充补强剂、防老剂、软化剂及硫化助剂，在30转/分钟转速下混炼10分钟，然后调至转速为50转/分钟，混炼15分钟，出料下片。胶料放置冷却到常温后，再在开放式炼胶机上加入硫化剂（硫磺等），炼胶三分钟后，在2-3毫米辊距下薄通3-5遍，下片待用。
所述的有机改性层状硅酸盐的制备方法如下：将层状硅酸盐除杂、研磨、过筛，然后用插层剂、分散介质或表面活性剂通过离子交换处理得到改性的层状硅酸盐。所述的层状硅酸盐是指粘土、膨润、土蒙脱土、白土、绿土、滑石粉、贝得石、水辉石、硅石、多水高岭土、蒙脱石或麦加石中的一种或几种。所述的插层剂为十二烷基胺，十八烷基胺，乙醇胺，二乙醇胺，三乙醇胺，月桂酸胺，己内酰胺，己二胺，三甲基氯化胺，季胺盐，苯基乙胺或对苯二胺中的一种或几种。所述的表面活性剂为直链烷基磺酸盐类、支链烷基苯基磺酸盐类、烷基硫酸盐类、松香酸盐类、烷基聚乙烯醚硫酸盐类或季铵盐类。所述分散介质为水、乙醇、乙二醇、1，3-丙醇、1，4-丁二醇、丙酮或糠酮中的一种或几种。
所述的填充补强剂为炭黑、白炭黑、碳酸钙或陶土。
所述的防老剂为RE或4010。
所述的软化剂为芳烃油、操作油、环烷油、邻苯二甲酸二丁酯、植物油及其改性衍生物。
实施例2
以丁苯橡胶/天然橡胶（重量比例为70：30）并用胶为主原料输送带覆盖胶为例，说明本发明橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶的制备方法与性能（实验组1-3和对比组）。
1、原材料组份
组份（A）为橡胶，组份（B）为有机改性层状硅酸盐（详见有机改性层状硅酸盐的制备），；组分（C）为硫化剂及硫化助剂，组分（D）为填充补强剂，组分（E）为防老剂，组分（F）为软化剂。
2、有机改性层状硅酸盐的制备
将层状硅酸盐矿经除杂质、除砂、过筛等手段进行纯化、干燥后，用球磨机将层状硅酸盐研磨，用325目的筛子过筛，得到的层状硅酸盐的离子交换量为96.4meq/100g。将1.8g十二胺溶解于60℃的1000ml的0.01M HCL制得溶液，10g层状硅酸盐逐渐加入此溶液中，得到的悬浮液剧烈震荡3h，再用去离子水多次洗涤，过滤残留物在80℃下真空干燥12h，再磨细经325目的筛子过筛便得有机改性层状硅酸盐，待用。
3、橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料的制备
在55立升可变频调速的密闭式炼胶机上，首先加入丁苯橡胶和天然橡胶、有机改性层状硅酸盐、填充补强剂、防老剂、软化剂及硫化助剂，在30转/分钟转速下混炼10分钟，然后调至转速为50转/分钟，混炼10分钟，出料下片。胶料放置冷却到常温后，再在16英寸开放式炼胶机上加入硫化剂（硫磺等），炼胶三分钟后，在1-2毫米辊距下薄通3-5遍，下片待用。原料配方如表1。
表1实验组和对比组的原料配方（重量份）
| 实例 | 实验组1 | 实验组2 | 实验组3 | 对比组 |
| 丁苯橡胶 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 天然橡胶 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 硫化剂DTDM | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 硫化剂促进剂TMTD | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 硫化剂促进剂DM | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
| 间接法氧化锌 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 硬脂酸 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 古马隆树脂 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| C5树脂 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 高耐磨炭黑 | 45 | 45 | 45 | 45 |
| 防老剂 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 有机改性层状硅酸盐 | 1 | 3 | 5 | 0 |
4、橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶性能检验
试片硫化：在25吨平板硫化机上于143℃下硫化30min。
性能测试:按照国标进行。
所得检验结果如表2所示。
表2实验组和对比组的试验结果
由表2可见，与对比组相比，加入有机改性层状硅酸盐后的实施例中，复合材料的各项性能均有较大提高，其中加入5wt%的有机改性层状硅酸盐，拉伸强度提高26.5%，撕裂强度提高29.3%，磨耗降低17.3%，而硬度和伸长率变化不大。耐老化性能也显著提高。这些性能的提高均十分有利于输送带覆盖胶使用寿命的延长。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种高耐磨橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶，其特征在于采用以下重量份的原料组份：丁苯橡胶70份，天然橡胶30份，硫化剂DTDM 1份，硫化剂促进剂TMTD 0.5份，硫化剂促进剂DM1.2份，间接法氧化锌5份，硬脂酸2份，古马隆树脂4份，C5树脂5份，高耐磨炭黑45份，防老剂3份，有机改性层状硅酸盐1份；
制备步骤：采用可变频调速密闭式炼胶机，首先加入丁苯橡胶和天然橡胶、有机改性层状硅酸盐、高耐磨炭黑、C5树脂、防老剂、间接法氧化锌、硬脂酸、古马隆树脂、硫化剂促进剂TMTD及硫化剂促进剂DM，在30转/分钟转速下混炼10分钟，然后调至转速为50转/分钟，混炼15分钟，出料下片，胶料放置冷却到常温后，再在开放式炼胶机上加入硫化剂DTDM，炼胶三分钟后，在2-3毫米辊距下薄通3-5遍，下片待用；
所述有机改性层状硅酸盐的制备：
将层状硅酸盐矿经除杂质、除砂、过筛进行纯化、干燥后，用球磨机将层状硅酸盐研磨，用325目的筛子过筛，得到的层状硅酸盐的离子交换量为96.4meq/100g ，将1.8g十二胺溶解于60℃的1000ml的0.01M HCl制得溶液，10g 层状硅酸盐逐渐加入此溶液中，得到的悬浮液剧烈震荡3h ，再用去离子水多次洗涤，过滤残留物在80℃下真空干燥12h，再磨细经325目的筛子过筛便得有机改性层状硅酸盐。
2.一种高耐磨橡胶/层状硅酸盐纳米复合材料织物芯输送带覆盖胶，其特征在于采用以下重量份的原料组份：丁苯橡胶70份，天然橡胶30份，硫化剂DTDM 1份，硫化剂促进剂TMTD 0.5份，硫化剂促进剂DM1.2份，间接法氧化锌5份，硬脂酸2份，古马隆树脂4份，C5树脂5份，高耐磨炭黑45份，防老剂3份，有机改性层状硅酸盐3份；
制备步骤：在55立升可变频调速的密闭式炼胶机上，首先加入丁苯橡胶和天然橡胶、有机改性层状硅酸盐、高耐磨炭黑、C5树脂、防老剂、间接法氧化锌、硬脂酸、古马隆树脂、硫化剂促进剂TMTD及硫化剂促进剂DM，在30转/分钟转速下混炼10分钟，然后调至转速为50转/分钟，混炼10分钟，出料下片，胶料放置冷却到常温后，再在16英寸开放式炼胶机上加入硫化剂DTDM，炼胶三分钟后，在1-2毫米辊距下薄通3-5遍，下片待用；
所述有机改性层状硅酸盐的制备：
将层状硅酸盐矿经除杂质、除砂、过筛手段进行纯化、干燥后，用球磨机将层状硅酸盐研磨，用325目的筛子过筛，得到的层状硅酸盐的离子交换量为96.4meq/100g ，将1.8g十二胺溶解于60℃的1000ml的0.01M HCl制得溶液，10g 层状硅酸盐逐渐加入此溶液中，得到的悬浮液剧烈震荡3h ，再用去离子水多次洗涤，过滤残留物在80℃下真空干燥12h，再磨细经325目的筛子过筛便得有机改性层状硅酸盐。
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