CN103694505A - 一种碳纳米管与橡胶的复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管与橡胶的复合材料及其制备方法,包括:以质量计,碳纳米管与橡胶的混合胶料100份、硬脂酸1-3份、炭黑53-65份、纳米氧化锌5-8份、防老剂D1.5-2.5份、防老剂4020为2-3.5份、硫化促进剂CZ0.4-0.8份、防焦剂CTP0.3-2份和硫磺2-3份,碳纳米管与橡胶的混合胶料为HTPB包覆的碳纳米管混合物26份与橡胶74份的混料,HTPB包覆的碳纳米管混合物为端羟基聚丁二烯包覆羧基化多壁碳纳米管,将混合胶料与橡胶一起辊压、硫化、塑炼、加料混炼和硫化制得本品。通过上述方式,本发明一种碳纳米管与橡胶的复合材料具有分散性好,碳纳米管与橡胶界面的粘合力更强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及复合橡胶领域,特别是涉及一种碳纳米管与橡胶的复合材料及其制备方法。
背景技术
由于碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能而被广泛应用于聚合物中以期提高聚合物的导热、导电和物理性能等,但碳纳米管本身具有很高的表面自由能,易发生团聚,在聚合物基体中不易分散,限制了其应用的范围。
一般的碳纳米管与橡胶的复合材料采用碳纳米管与天然橡胶和添加剂进行合成并通过最后的硫化制得碳纳米管的橡胶硫化胶,比如专利文件《含碳纳米管的高性能天然橡胶硫化胶及其制备方法》申请号为201010139543.3的文案中介绍的改性的碳纳米管与橡胶的处理方法,虽然能够获得一定的碳纳米管橡胶制品,但是性能表现方面会有很大的欠缺,比如经过酸性处理的碳纳米管在甲苯中的团聚和缠绕现象仍然存在,而且比较严重,对于产品的导电和导热性能甚至是延伸性能都具有明显的局限性。
一般的改性碳纳米管的分散性明显逊于HTPB包覆的碳纳米管混合物,而通过将碳纳米管与端羟基聚丁二烯HTPB进行研磨可以增大管壁的厚度并减少碳纳米管的长度,有利于端羟基聚丁二烯HTPB对碳纳米管进行包覆,而包覆的碳纳米管还具有明显的在溶剂内分散性好而且对橡胶具有更好的亲和性的特点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种碳纳米管与橡胶的复合材料,通过端羟基聚丁二烯HTPB对碳纳米管进行包覆,使得碳纳米管在溶剂内以及在与橡胶混合的过程中具有良好的分散性能和亲和性。
为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种碳纳米管与橡胶的复合材料,包括橡胶、硬脂酸、防老剂、防焦剂、炭黑、氧化锌、硫磺和树脂,还包括:HTPB包覆的碳纳米管,以质量计,复合材料的组成包括:碳纳米管与橡胶的混合胶料100份、硬脂酸1-3份、炭黑53-65份、纳米氧化锌5-8份、防老剂D1.5-2.5份、防老剂4020为2-3.5份、硫化促进剂CZ0.4-0.8份、防焦剂CTP0.3-2份和硫磺2-3份,所述碳纳米管与橡胶的混合胶料为HTPB包覆的碳纳米管混合物26份与橡胶74份的混合胶料,所述HTPB包覆的碳纳米管混合物是由端羟基聚丁二烯(HTPB)与羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)以质量比1:1混合并研磨形成的由端羟基聚丁二烯包覆羧基化多壁碳纳米管的混合物。
在本发明一个较佳实施例中,所述多壁碳纳米管的直径为10-30nm,长度为0.5-40μm,并由化学气相沉积法获得。
在本发明一个较佳实施例中,所述端羟基聚丁二烯(HTPB)的羟基值为0.6135mmol·g-1。
在本发明一个较佳实施例中,所述橡胶是由天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶以质量比3:1:1合成的复合橡胶。
本发明还包括一种碳纳米管与橡胶的复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:多壁碳纳米管(MWNTs)的羧酸化
称取多壁碳纳米管(MWNTs)原料,加入过氧化氢水溶液,超声分散30-60分钟,转移至反应容器中,80℃冷凝回流两小时,转移到另一容器中并减压过滤,加入去离子水反复洗涤至滤液为中性,然后用微孔滤膜抽滤,放入真空干燥箱中烘干备用;
加入体积比为3:1的硫酸/硝酸混酸中,60℃超声分散两小时,转移至反应容器中,冷凝回流后转移到另一容器中并减压过滤,用去离子水反复洗涤至滤液为中性,然后用微孔滤膜抽滤;
放入80℃真空干燥箱中烘干得到羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)。
步骤二:HTPB包覆的碳纳米管混合物的制备
将羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)与端羟基聚丁二烯(HTPB)以质量比为1:1的量在玛瑙研钵中均匀研磨,得到HTPB包覆的碳纳米管混合物。
步骤三:碳纳米管与橡胶的混合胶料的制备
将HTPB包覆的碳纳米管混合物与所述橡胶混合置于两辊开炼机上于30-40℃下辊压5-8分钟;
用电热平板硫化机压片,热压温度为80-100℃,10分钟,冷压20分钟,得到碳纳米管与橡胶的混合胶料;
步骤四:碳纳米管与橡胶的复合材料的制备
将碳纳米管与橡胶的混合胶料在转子转速为45-60转每分、温度为50-60℃的转矩流变仪中塑炼2-5分钟;
依次加入硬脂酸、纳米氧化锌、防老剂D、防老剂4020、促进剂CZ和硫黄混炼4-8分钟,得到混炼胶;
常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上补充混炼7-15分钟,出片,在室温下停放24小时;
在平板硫化机上硫化,硫化条件为150℃/10MPa×t90,在室温下放置24小时以后得到碳纳米管与橡胶的复合材料。
在本发明一个较佳实施例中,所述步骤一中采用的制剂包括:过氧化氢水溶液、去离子水、浓硫酸、浓硝酸和甲苯,所述过氧化氢水溶液的浓度为7-8mol/L,所述浓硫酸的质量分数为0.95-0.98,所述浓硝酸的质量分数为0.65-0.68,上述材料均为分析纯品质。
在本发明一个较佳实施例中,所述步骤四中在平板硫化机上硫化时,采用无转子硫化仪在150℃/10MPa的条件下测定。
本发明的有益效果是:本发明一种碳纳米管与橡胶的复合材料通过端羟基聚丁二烯HTPB对碳纳米管进行包覆,使得碳纳米管在溶剂内以及在与橡胶混合的过程中具有良好的分散性能和亲和性,经过端羟基聚丁二烯HTPB包覆的碳纳米管在有机溶剂中溶解的程度得到很大改善,也提高了碳纳米管在橡胶相中的分散性,增强碳纳米管与橡胶界面的粘合力,使其在橡胶基体中表现出更好的补强效果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例包括:
一种碳纳米管与橡胶的复合材料,包括橡胶、硬脂酸、防老剂、防焦剂、炭黑、氧化锌、硫磺和树脂,还包括:HTPB包覆的碳纳米管,以质量计,复合材料的组成包括:碳纳米管与橡胶的混合胶料100份、硬脂酸1-3份、炭黑53-65份、纳米氧化锌5-8份、防老剂D1.5-2.5份、防老剂4020为2-3.5份、硫化促进剂CZ0.4-0.8份、防焦剂CTP0.3-2份和硫磺2-3份,所述碳纳米管与橡胶的混合胶料为HTPB包覆的碳纳米管混合物26份与橡胶74份的混合胶料,所述HTPB包覆的碳纳米管混合物是由端羟基聚丁二烯(HTPB)与羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)以质量比1:1混合并研磨形成的由端羟基聚丁二烯包覆羧基化多壁碳纳米管的混合物。
所述多壁碳纳米管的直径为10-30nm,长度为0.5-40μm,并由化学气相沉积法获得。
所述端羟基聚丁二烯(HTPB)的羟基值为0.6135mmol·g-1。
所述橡胶是由天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶以质量比3:1:1合成的复合橡胶。
本发明还包括一种碳纳米管与橡胶的复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一:多壁碳纳米管(MWNTs)的羧酸化
称取多壁碳纳米管(MWNTs)原料,加入过氧化氢水溶液,超声分散30-60分钟,转移至反应容器中,80℃冷凝回流两小时,转移到另一容器中并减压过滤,加入去离子水反复洗涤至滤液为中性,然后用微孔滤膜抽滤,放入真空干燥箱中烘干备用;
加入体积比为3:1的硫酸/硝酸混酸中,60℃超声分散两小时,转移至反应容器中,冷凝回流后转移到另一容器中并减压过滤,用去离子水反复洗涤至滤液为中性,然后用微孔滤膜抽滤;
放入80℃真空干燥箱中烘干得到羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)。
步骤二:HTPB包覆的碳纳米管混合物的制备
将羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)与端羟基聚丁二烯(HTPB)以质量比为1:1的量在玛瑙研钵中均匀研磨,得到HTPB包覆的碳纳米管混合物。
步骤三:碳纳米管与橡胶的混合胶料的制备
将HTPB包覆的碳纳米管混合物与所述橡胶混合置于两辊开炼机上于30-40℃下辊压5-8分钟;
用电热平板硫化机压片,热压温度为80-100℃,10分钟,冷压20分钟,得到碳纳米管与橡胶的混合胶料;
步骤四:碳纳米管与橡胶的复合材料的制备
将碳纳米管与橡胶的混合胶料在转子转速为45-60转每分、温度为50-60℃的转矩流变仪中塑炼2-5分钟;
依次加入硬脂酸、纳米氧化锌、防老剂D、防老剂4020、促进剂CZ和硫黄混炼4-8分钟,得到混炼胶;
常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上补充混炼7-15分钟,出片,在室温下停放24小时;
在平板硫化机上硫化,硫化条件为150℃/10MPa×t90,在室温下放置24小时以后得到碳纳米管与橡胶的复合材料。
所述步骤一中采用的制剂包括:过氧化氢水溶液、去离子水、浓硫酸、浓硝酸和甲苯,所述过氧化氢水溶液的浓度为7-8mol/L,所述浓硫酸的质量分数为0.95-0.98,所述浓硝酸的质量分数为0.65-0.68,上述材料均为分析纯品质。
所述步骤四中在平板硫化机上硫化时,采用无转子硫化仪在150℃/10MPa的条件下测定。
本发明中,所述多壁碳纳米管(MWNTs)为深圳市纳米港有限公司产品,所述浓硫酸为烟台三和化学试剂有限公司产品,所述浓硝酸和过氧化氢水溶液为莱阳经济技术开发区精细化工厂产品,所述甲苯为青岛江山化学试剂有限公司产品,所述端羟基聚丁二烯(HTPB)为淄博齐龙化工有限公司产品,BR牌号9000,齐鲁石化橡胶厂产品,橡胶为齐鲁石化橡胶厂产品;
所使用的玛瑙研钵,直径70mm,为市售产品;使用的53kHz超声清洗器为上海科导超声仪器有限公司产品,所使用的ZK-82B型电热真空干燥箱为上海实验仪器厂产品;使用的Ф160mm*320mm两辊开炼机为上海轻工机械技术研究所产品;XLB-25t平板硫化机为青岛市第三橡胶机械厂产品;RC90型转矩流变仪为德国Haake公司产品;GT-M2000-A型无转子硫化仪和GT-AT-7000M型电子拉力机为台湾高铁科技股份有限公司产品;过滤中使用的滤膜为微孔滤膜混合纤维膜,孔径为0.22μm,是上海市新亚净化器件厂产品;
下面通过实施例和对比例对本发明作进一步说明:
实施例1:制备HTPB/MWNTs-COOH的甲苯溶液
0.5g多壁碳纳米管(MWNTs)通过步骤一和步骤二制成端羟基聚丁二烯包覆的羧基化多壁碳纳米管混合体(HTPB/MWNTs-COOH),将此混合体溶于10ml甲苯中,经超声清洗器以超声波震荡20分钟后静置,得到HTPB/MWNTs-COOH的甲苯溶液。
对比例1:制备HTPB/MWNTs的甲苯溶液
0.5g多壁碳纳米管(MWNTs)直接通过步骤二制成端羟基聚丁二烯包覆的多壁碳纳米管混合体(HTPB/MWNTs),将此混合体溶于10ml甲苯中,经超声清洗器以超声波震荡20分钟后静置,得到HTPB/MWNTs的甲苯溶液。
对比例2:MWNTs的甲苯溶液
0.5g多壁碳纳米管(MWNTs)溶于10ml甲苯中,经超声清洗器以超声波震荡20分钟后静置,得到MWNTs的甲苯溶液。
对比分析:碳纳米管在甲苯中的溶解性对比
碳纳米管在甲苯中的溶解情况:
静置1分钟后,3种碳纳米管在甲苯中均有较好的溶解性;
静置3分钟后,对比例2即MWNTs的甲苯溶液中有絮状物悬浮而且底部出现大量沉淀物;HTPB/MWNTs的甲苯溶液和HTPB/MWNTs-COOH的甲苯溶液均没有出现上述现象;
静置30分钟后,MWNTs的甲苯溶液有大量絮状物沉淀于试管底部,抱簇成团,溶剂上层变得澄清;HTPB/MWNTs的甲苯溶液和HTPB/MWNTs-COOH的甲苯溶液的溶解性仍较好,溶液呈均相体系,稳定性高。
静置72小时以后,MWNTs的甲苯溶液的絮状物沉淀于试管底部,抱簇成团,溶剂上层为澄清;HTPB/MWNTs的甲苯溶液和HTPB/MWNTs-COOH的甲苯溶液开始有絮状物沉淀。
这说明HTPB包覆后的碳纳米管在有机溶剂中的溶解程度得到很大改善。
采用透射电子显微镜TEM观察并分析:
采用TEM仪器分析HTPB对碳纳米管的包覆情况,加速电压为200KV;
原始多壁碳纳米管(MWNTs)在甲苯中的团聚和缠绕现象严重,分散性逊于HTPB/MWNTs和HTPB/MWNTs-COOH;
碳纳米管与HTPB研磨后,碳纳米管明显变短,管壁明显变粗,直径由原先的10-30nm变为20-45nm,羧酸化处理的碳纳米管与HTPB研磨后管壁变粗更明显。
这说明通过研磨的方法可以将HTPB包覆在碳纳米管表面,而对碳纳米管进行羧酸化处理可以进一步提高其包覆程度。
实施例2:HTPB/MWNTs-COOH的橡胶复合材料
0.5g多壁碳纳米管(MWNTs)通过步骤一至步骤四的制备过程制成HTPB/MWNTs-COOH的橡胶复合材料,将此橡胶复合材料裁成标准试样进行性能测试,采用电子拉力机测试其拉伸性能;
对比例3:HTPB/MWNTs的橡胶复合材料
采用0.5g多壁碳纳米管(MWNTs)替代羧酸化的碳纳米管(MWNTs-COOH)通过步骤二至步骤四的制备过程制成HTPB/MWNTs的橡胶复合材料,将此橡胶复合材料裁成标准试样进行性能测试,采用电子拉力机测试其拉伸性能;
对比例4:MWNTs的橡胶复合材料
采用0.5g多壁碳纳米管(MWNTs)替代羧酸化的碳纳米管(MWNTs-COOH)通过步骤三至步骤四的制备过程制成MWNTs的橡胶复合材料,将此橡胶复合材料裁成标准试样进行性能测试,采用电子拉力机测试其拉伸性能;
拉伸性能测试分析:采用中国台湾高铁科技股份有限公司的产品GT-M2000-A型无转子硫化仪和GT-AT-7000M型电子拉力机进行测试,采用SEM仪器对样品的断面进行观察;
将HTPB/MWNTs-COOH的橡胶复合材料、HTPB/MWNTs的橡胶复合材料和MWNTs的橡胶复合材料分别采用电子拉力机测试出定伸应力和拉伸强度的性能参数值,100%定伸应力值:MWNTs的橡胶复合材料为0.11MPa,HTPB/MWNTs的橡胶复合材料为0.13MPa,HTPB/MWNTs-COOH的橡胶复合材料为0.14MPa;因此可以得出采用HTPB包覆的碳纳米管可以增强橡胶的改性性能,提高橡胶的拉伸强度;而采用羧酸化和HTPB包覆共同处理的碳纳米管对橡胶的改性作用更加明显,使橡胶的强度增幅更大,这是由于碳纳米管表面的羧基和HTPB中的羟基发生反应,使碳纳米管表面与HTPB分子链通过共价键相连,从而提高了其在橡胶基体中的分散性,并增强了其与橡胶基体的粘合力。
本发明一种碳纳米管与橡胶的复合材料的有益效果是:
一、通过端羟基聚丁二烯HTPB对碳纳米管进行包覆,使得碳纳米管在溶剂内以及在与橡胶混合的过程中具有良好的分散性能和亲和性,经过端羟基聚丁二烯HTPB包覆的碳纳米管在有机溶剂中溶解的程度能够得到很大改善,也提高了碳纳米管在橡胶相中的分散性,增强碳纳米管与橡胶界面的粘合力,使其在橡胶基体中表现出更好的补强效果;
二、一般的改性碳纳米管的分散性明显逊于HTPB包覆的碳纳米管混合物,而通过将碳纳米管与端羟基聚丁二烯HTPB进行研磨可以增大管壁的厚度并减少碳纳米管的长度,有利于端羟基聚丁二烯HTPB对碳纳米管进行包覆,而包覆的碳纳米管还具有明显的在溶剂内分散性好而且对橡胶具有更好的粘合力的特点;
三、与普通的碳纳米管与橡胶的复合材料相比具有更好地分散性,能够更好地分散于橡胶制品的内部空间各处,避免团聚性带来的分布不均现象;而且区别于一般的橡胶制品在橡胶基体的边缘处才出现“拔丝”现象,本发明在橡胶基体中就会出现在断裂处“拔丝”的现象,说明碳纳米管与橡胶的粘合力更强,而碳纳米管对橡胶的补强作用也相应的更明显。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种碳纳米管与橡胶的复合材料,包括橡胶、硬脂酸、防老剂、防焦剂、炭黑、氧化锌、硫磺和树脂,其特征在于,还包括:HTPB包覆的碳纳米管,以质量计,复合材料的组成包括:碳纳米管与橡胶的混合胶料100份、硬脂酸1-3份、炭黑53-65份、纳米氧化锌5-8份、防老剂D1.5-2.5份、防老剂4020为2-3.5份、硫化促进剂CZ0.4-0.8份、防焦剂CTP0.3-2份和硫磺2-3份,所述碳纳米管与橡胶的混合胶料为HTPB包覆的碳纳米管混合物26份与橡胶74份的混合胶料,所述HTPB包覆的碳纳米管混合物是由端羟基聚丁二烯(HTPB)与羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)以质量比1:1混合并研磨形成的由端羟基聚丁二烯包覆羧基化多壁碳纳米管的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管与橡胶的复合材料,其特征在于,所述多壁碳纳米管的直径为10-30nm,长度为0.5-40μm,并由化学气相沉积法获得。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管与橡胶的复合材料,其特征在于,所述端羟基聚丁二烯(HTPB)的羟基值为0.6135mmol·g-1。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管与橡胶的复合材料,其特征在于,所述橡胶是由天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶以质量比3:1:1合成的复合橡胶。
5.一种碳纳米管与橡胶的复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:多壁碳纳米管(MWNTs)的羧酸化
称取多壁碳纳米管(MWNTs)原料,加入过氧化氢水溶液,超声分散30-60分钟,转移至反应容器中,80℃冷凝回流两小时,转移到另一容器中并减压过滤,加入去离子水反复洗涤至滤液为中性,然后用微孔滤膜抽滤,放入真空干燥箱中烘干备用;
加入体积比为3:1的硫酸/硝酸混酸中,60℃超声分散两小时,转移至反应容器中,冷凝回流后转移到另一容器中并减压过滤,用去离子水反复洗涤至滤液为中性,然后用微孔滤膜抽滤;
放入80℃真空干燥箱中烘干得到羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)。
6.步骤二:HTPB包覆的碳纳米管混合物的制备
将羧基化多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)与端羟基聚丁二烯(HTPB)以质量比为1:1的量在玛瑙研钵中均匀研磨,得到HTPB包覆的碳纳米管混合物。
7.步骤三:碳纳米管与橡胶的混合胶料的制备
将HTPB包覆的碳纳米管混合物与所述橡胶混合置于两辊开炼机上于30-40℃下辊压5-8分钟;
用电热平板硫化机压片,热压温度为80-100℃,10分钟,冷压20分钟,得到碳纳米管与橡胶的混合胶料;
步骤四:碳纳米管与橡胶的复合材料的制备
将碳纳米管与橡胶的混合胶料在转子转速为45-60转每分、温度为50-60℃的转矩流变仪中塑炼2-5分钟;
依次加入硬脂酸、纳米氧化锌、防老剂D、防老剂4020、促进剂CZ和硫黄混炼4-8分钟,得到混炼胶;
常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上补充混炼7-15分钟,出片,在室温下停放24小时;
在平板硫化机上硫化,硫化条件为150℃/10MPa×t90,在室温下放置24小时以后得到碳纳米管与橡胶的复合材料。
8.根据权利要求5所述的一种碳纳米管与橡胶的复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤一中采用的制剂包括:过氧化氢水溶液、去离子水、浓硫酸、浓硝酸和甲苯,所述过氧化氢水溶液的浓度为7-8mol/L,所述浓硫酸的质量分数为0.95-0.98,所述浓硝酸的质量分数为0.65-0.68,上述材料均为分析纯品质。
9.根据权利要求5所述的一种碳纳米管与橡胶的复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤四中在平板硫化机上硫化时,采用无转子硫化仪在150℃/10MPa的条件下测定。
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