CN104974390A - 一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，各原料及质量份数为：橡胶基100份、改性木粉10-80份、聚丙烯酸钠10-80份、交联剂1-6份、助剂6-40份，所述改性木粉的制备方法是：将粉碎至40-200目的木粉浸泡在10-23℃、质量百分比浓度为17.5%的氢氧化钠溶液中72h，取出木粉，置于烘箱中干燥，干燥条件为105℃，干燥6h，即得到改性木粉，所述的橡胶基包括：丁腈橡胶，氯丁橡胶，三元乙丙橡胶。本发明得到的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，具有吸水性能好，力学性能优良等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的橡胶吸水复合材料，特别是一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，属于高分子材料技术领域。
背景技术
木粉作为自然界中最典型的生物材料，主要成分是纤维素，其中含有大量的羟基，这些羟基形成分子间的氢键或分子内的氢键，使木粉具有吸水性，吸湿率可达到8%-12%，因此若将其添加到高分子聚合物中，可提高聚合物的吸水性能；木粉的颗粒大小约为0-500目，也是一种很有潜力的补强材料。木粉储量丰富、价格低廉、用途广泛，原料易于较大批量生产。
橡胶吸水材料是通过在橡胶基体中引入亲水基团或亲水组分制成，其吸水后可膨胀至自身质量或体积的数倍乃至数百倍，充满所接触的不规则表面、空穴及间隙，同时产生巨大的接触压力以达到密封止水的效果。它在防水密封、土壤改良等领域有着广阔的应用前景，这不仅大幅度提高了橡胶材料的附加值，还具有十分明显的社会效益。
橡胶吸水材料是由橡胶、吸水组分（吸水剂和助吸水剂）、填料等组成的多组分体系。吸水剂是赋予其吸水膨胀性能的关键物质，但助吸水剂在一定程度上亦能大大提高材料的吸水性能。目前，聚丙烯酸盐系列吸水剂较为常用；橡胶是基体，其弹性和强度将会影响材料的机械性能，多采用具有一定极性或吃粉能力较强的橡胶作为基体，如氯丁橡胶（CR）、丁腈橡胶（NBR）、三元乙丙橡胶（EPDM）等。填料多是具有一定补强效果，如炭黑、白炭黑、蒙脱土、淀粉等。国内对改性木粉做了大量研究，如：中国专利201010288686.0“一种阻燃木塑复合材料及其制备方法”公开了改性木粉的制备方法为 ：将木粉依次经碱溶液和醇溶液浸泡后洗涤至中性，烘 干后得到预处理后的木粉，将预处理后的木粉在pH为5.0～6.5、溶液温度为85℃～100℃的三聚氰胺饱和水溶液中搅拌0.5小时～5小时，待搅拌结束后再将物料快速冷却至30℃以下，经过滤、干燥后在100℃～130℃热处理0.5 小时～3小时，得到改性木粉。该种改性木粉主要用于阻燃材料中。
CN101161711（公开日：2008年04月16日）公开了一种含蒙脱土吸水材料的吸水膨胀橡胶组合物及其制备方法，该方法中蒙脱土吸水材料由丙烯酸钠、丙烯酰胺在引发剂作用下，于蒙脱土片层中插层共聚而成；吸水膨胀橡胶是由橡胶基、蒙脱土吸水材料、活化剂、防老剂、补强填充剂、增容剂、吸水促进剂等经过开炼机混炼，然后硫化制成。该吸水膨胀橡胶制备工艺较复杂，主要对蒙脱土进行处理制备吸水材料。
华晋等人研究木粉加入塑料（聚乳酸）中的吸水效果，木粉含量为20份的复合材料，2ｈ 后增重率为2.44％，24ｈ 增重率为7.93％，吸水率较低，主要运用在塑料中。
吕闪闪等人研究了木粉含量对木粉/淀粉/聚乳酸复合材料性能的影响,结果表明，当木粉含量为18wt%时，复合材料的质量吸水率达13.43%，吸水率较低，主要运用在塑料中。
截止目前，木粉加入到塑料中的吸水情况有部分报道，但在橡胶吸水材料中将改性木粉用作增强组分和吸水助剂的工作在国内外中未见报道。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料。
本发明是以如下技术方案实现的：一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其原料包括：橡胶基、改性木粉、聚丙烯酸钠、交联剂和助剂，各原料及质量份数为：橡胶基100份、改性木粉10-80份、聚丙烯酸钠10-80份、交联剂1-6份、助剂6-40份；
所述改性木粉的制备方法是：将粉碎至40-200目的木粉浸泡在10-23 ℃、质量百分比浓度为17.5 %的氢氧化钠溶液中72h，取出木粉，置于烘箱中干燥，干燥条件为105℃，干燥6h，即得到改性木粉。
所述的改性木粉在复合材料中的比例为5%～50%。
所述的改性木粉在复合材料中的比例为5%～40%。
所述的聚丙烯酸钠在复合材料中的比例一般在5%～50%。
所述的聚丙烯酸钠在复合材料中的比例一般在5%～40%。
所述的橡胶基包括：丁腈橡胶，氯丁橡胶，三元乙丙橡胶。
所述的交联剂包括：促进剂NA-22，促进剂DM，促进剂CZ，促进剂TT，促进剂TS，硫磺一种或两种以上按任意比量的混合。
所述的助剂包括：氧化锌，氧化镁，硬脂酸，防老剂4010NA，石蜡油，聚乙二醇，白炭黑一种或两种以上按任意比量的混合。
所述的木粉为杨树材质木粉。
本发明所述的橡胶吸水复合材料，可使用常规的橡胶开炼机，进行塑炼、混炼，利用平板硫化机，硫化成型，能够通过常规工艺制备。
本发明制得的橡胶吸水复合材料的有益效果是：本发明使用的木粉价格低廉，材料来源广，容易获得；改性木粉的制作方法操作简单，加入改性木粉的橡胶吸水复合材料，吸水性能和力学性能有明显提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的方法和效果进一步说明。
力学性能和吸水性能的测试方法和试验标准如下：
(1)力学性能：
试验标准：GB/T528-2009，GB/T529-2008；
测试设备：AI-7000-GD拉力试验机，高铁科技股份有限公司制造；
测试内容：拉伸强度和撕裂强度。
(2)吸水性能：
测试方法：将材料制成(20±2mm)×(20±2mm)×2mm浸水试样，数量为3个，将制作好的试样先用0.001g精度的天平称出在空气中的质量，然后在称出试样悬挂再蒸馏水中的质量；将试样浸泡在70℃300mL去离子水中吸水平衡，先用0.001g精度的天平称出其在蒸馏水中的质量，然后用滤纸轻轻吸干试样表面的水分，称出试样在空气中的质量；实验过程中，应避免试样重叠及水分的挥发。
试样的体积膨胀倍率ΔV按下式计算：
ΔV= ；
式中：m1、 m3，分别为浸泡前后试样在空气中的质量，g；
m2 、m4，分别为浸泡前后试样在去离子水中的质量，g。
实施例1-5
试验原料及质量份数如下：
橡胶基选用丁腈橡胶；木粉选用杨树木粉。
所述改性木粉的制备方法是：将粉碎至40-200目的木粉浸泡在10-23 ℃、质量百分比浓度为17.5 %的氢氧化钠溶液中72h，取出木粉，置于烘箱中干燥，干燥条件为105℃，干燥6h，即得到改性木粉。
基础配方：丁腈橡胶100份，聚丙烯酸钠20份，氧化锌 5份，硬脂酸1.5份, 促进剂CZ 2份, 促进剂DM 0.2份，硫磺1.8份，防老剂4010NA 2份；
以下为实施例在基础配方中，加入不同目数的改性木粉：
实施例1不添加改性木粉，作为基础实验例；
实施例2加入目数为40目改性木粉20份；
实施例3加入目数为80目改性木粉20份；
实施例4加入目数为100目改性木粉20份；
实施例5加入目数为200目改性木粉20份。
分别于橡胶双棍筒开炼机上混炼均匀，得到木粉/丁腈橡胶混炼胶，在硫化温度160℃、时间T90、压力15-20MPa下，其中T90为实施例1-5制得的混炼胶，通过无转子硫化仪测得的硫化特性曲线，得到硫化时间T90；利用平板硫化机，得到橡胶吸水复合材料，本发明实施例1-5得到的橡胶吸水复合材料的力学性能和吸水性能见表1。
表1
| 配方 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 拉伸强度/MPa | 2.04 | 2.03 | 2.28 | 2.27 | 2.24 |
| 扯断伸长率/% | 479 | 484 | 524 | 524 | 504 |
| 300%定伸应力/MPa | 1.33 | 1.48 | 1.34 | 1.38 | 1.42 |
| 撕裂强度/N/mm | 10.75 | 12.51 | 12.46 | 12.45 | 12.24 |
| 邵A硬度 | 54 | 60 | 60 | 58 | 58 |
| ΔV/% | 86 | 235 | 242 | 244 | 185 |
实施例1为基础实验例，实施例2-5通过改变改性木粉的目数，得到相应的力学性能和吸水性能。根据测试数据不难得出：目数为100目的改性木粉，吸水性能最优，目数为80目的改性木粉，吸水性能次优；与实施例1相比，加入改性木粉后，吸水性能均有明显提高。
实施例6-11
试验原料及质量份数如下：
橡胶基选用氯丁橡胶；木粉选用杨树木粉。
所述改性木粉的制备方法是：将粉碎至200目的木粉浸泡在10-23 ℃、质量百分比浓度为17.5 %的氢氧化钠溶液中72h，取出木粉，置于烘箱中干燥，干燥条件为105℃，干燥6h，即得到改性木粉。
基础配方：氯丁橡胶100份，聚丙烯酸钠20份， 氧化锌 5份，氧化镁 4份，硬脂酸 1份, 促进剂NA-22 0.7份, 促进剂DM 0.5份；
以下为实施例在基础配方中，加入不同份数的改性木粉：
实施例6不添加改性木粉，作为基础实验例；
实施例7加入目数为200目改性木粉10份；
实施例8加入目数为200目改性木粉20份；
实施例9加入目数为200目改性木粉40份；
实施例10加入目数为200目改性木粉60份；
实施例11加入目数为200目改性木粉80份。
分别于橡胶双棍筒开炼机上混炼均匀，得到木粉/氯丁橡胶混炼胶。在硫化温度153℃、时间T90、压力15-20MPa下，其中T90为实施例6-11制得的混炼胶，通过无转子硫化仪测得的硫化特性曲线，得到硫化时间T90；利用平板硫化机，得到橡胶吸水复合材料，本发明实施例6-11得到的橡胶吸水复合材料的力学性能和吸水性能见表2。
表2
| 配方 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 |
| 拉伸强度/MPa | 13.94 | 11.26 | 8.96 | 7.47 | 6.90 | 5.38 |
| 扯断伸长率/% | 822 | 790 | 770 | 679 | 654 | 606 |
| 300%定伸应力/MPa | 1.61 | 2.12 | 2.40 | 2.98 | 3.23 | 3.60 |
| 撕裂强度/N/mm | 22.89 | 28.89 | 29.11 | 27.83 | 28.91 | 28.92 |
| 邵A硬度 | 50 | 58 | 61 | 69 | 75 | 82 |
| ΔV/% | 110 | 225 | 830 | 330 | 260 | 220 |
实施例6为基础实验例，实施例7-11通过改变改性木粉的份数，得到相应的力学性能和吸水性能，实施例6与实施例7-11为对比试验。根据测试数据不难得出：目数为200目的改性木粉添加20份时，吸水性能最优，目数为200目的改性木粉添加40份时，吸水性能次优；与实施例6相比，加入改性木粉后，吸水性能均有明显提高。
实施例12-17
试验原料及质量份数如下：
橡胶基选用三元乙丙橡胶；木粉选用杨树木粉。
所述改性木粉的制备方法是：将粉碎至200目的木粉浸泡在10-23 ℃、质量百分比浓度为17.5 %的氢氧化钠溶液中72h，取出木粉，置于烘箱中干燥，干燥条件为105℃，干燥6h，即得到改性木粉。
基础配方：三元乙丙橡胶100份，改性木粉20份， 氧化锌 5份， 硬脂酸1份, 促进剂TT 0.8份, 促进剂DM 2份,促进剂CZ 1份，促进剂TS 1.2份，硫磺 1.5份，白炭黑 20份，石蜡油 5份，聚乙二醇 5份；
以下为实施例在基础配方中，加入不同份数的聚丙烯酸钠：
实施例12不添加聚丙烯酸钠，作为基础实验例；
实施例13加入聚丙烯酸钠10份；
实施例14加入聚丙烯酸钠20份；
实施例15加入聚丙烯酸钠40份；
实施例16加入聚丙烯酸钠60份；
实施例17加入聚丙烯酸钠80份。
分别于橡胶双棍筒开炼机上混炼均匀，得到木粉/氯丁橡胶混炼胶。在硫化温度170℃、时间T90、压力15-20MPa下，其中T90为实施例12-17制得的混炼胶，通过无转子硫化仪测得的硫化特性曲线，得到硫化时间T90；利用平板硫化机，得到橡胶吸水复合材料，本发明实施例12-17得到的橡胶吸水复合材料的力学性能和吸水性能见表3。
表3
| 配方 | 实施例12 | 实施例13 | 实施例14 | 实施例15 | 实施例16 | 实施例17 |
| 拉伸强度/MPa | 13.11 | 10.38 | 9.39 | 7.35 | 5.96 | 5.11 |
| 扯断伸长率/% | 557 | 601 | 591 | 560 | 552 | 554 |
| 300%定伸应力/MPa | 3.58 | 2.93 | 2.82 | 2.8 | 2.51 | 2.5 |
| 撕裂强度/N/mm | 29.82 | 28.95 | 27.17 | 26.03 | 23.86 | 21.66 |
| 邵A硬度 | 67 | 70 | 71 | 74 | 77 | 76 |
| ΔV/% | 14 | 34 | 131 | 361 | 564 | 1157 |
实施例12为基础试验例，实施例13-17通过改变聚丙烯酸钠的份数，得到相应的力学性能和吸水性能，实施例12与实施例13-17为对比试验。根据测试数据不难得出：目数为200目的改性木粉20份时，加入聚丙烯酸钠80份，吸水性能最优，与实施例12相比，加入聚丙烯酸钠后，吸水性能均有明显提高。
本发明将橡胶胶料、改性木粉和聚丙烯酸钠混炼，可以根据实际需要，调整橡胶和各组分间的比例，以获得不同组分含量的复合材料。但过高的木粉含量，导致木粉容易聚集，对复合材料的力学和吸水性能产生不利的影响。过低的木粉含量对于增强效果和助吸水能力均不理想。过高的聚丙烯酸钠含量，容易从基体橡胶中析出；过低的聚丙烯酸钠含量，复合材料的吸水性能不明显。为保证橡胶/木粉/聚丙烯酸钠复合材料的性能，木粉在复合材料中的比例一般在5%～40%，最高不超过50％；聚丙烯酸钠在复合材料中的比例一般在5%～40%，最高不超过50％。
Claims (9)
1.一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：其原料包括：橡胶基、改性木粉、聚丙烯酸钠、交联剂和助剂，各原料及质量份数为：橡胶基100份、改性木粉10-80份、聚丙烯酸钠10-80份、交联剂1-6份、助剂6-40份；
所述改性木粉的制备方法是：将粉碎至40-200目的木粉浸泡在10-23 ℃、质量百分比浓度为17.5 %的氢氧化钠溶液中72h，取出木粉，置于烘箱中干燥，干燥条件为105℃，干燥6h，即得到改性木粉。
2.根据权利要求1所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的改性木粉在复合材料中的比例为5%～50%。
3.根据权利要求2所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的改性木粉在复合材料中的比例为5%～40%。
4.根据权利要求1所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的聚丙烯酸钠在复合材料中的比例一般在5%～50%。
5.根据权利要求4所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的聚丙烯酸钠在复合材料中的比例一般在5%～40%。
6.根据权利要求1所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的橡胶基包括：丁腈橡胶，氯丁橡胶，三元乙丙橡胶。
7.根据权利要求1所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的交联剂包括：促进剂NA-22，促进剂DM，促进剂CZ，促进剂TT，促进剂TS，硫磺一种或两种以上按任意比量的混合。
8.根据权利要求1所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的助剂包括：氧化锌，氧化镁，硬脂酸，防老剂4010NA，石蜡油，聚乙二醇，白炭黑一种或两种以上按任意比量的混合。
9. 根据权利要求1所述的一种含改性木粉的橡胶吸水复合材料，其特征是：所述的木粉为杨树材质木粉。
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