CN105199244B - 一种三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法，其特点是先使用增熔剂对织物状碳纤维进行预处理，同时将三元乙丙橡胶和辐射敏化剂混炼后置于模具中压延成薄片，然后将经过预处理的织物状碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中压延成片材；待片材冷却至室温后塑封，置于γ射线辐照场或电子束加速器中，使其总吸收剂量保持50～200kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料。本发明制备的复合材料的力学性能优异，并且由于使用的是织物状碳纤维作为补强剂，因此制备的三元乙丙橡胶复合材料呈半透明状；同时该复合材料的制备过程控制简捷、重复性好。

Description

一种三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法，特别是一种碳纤维补强三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。
背景技术
橡胶由于次生链段类似于结晶的规整化排列(或称类结晶化)而导致其强度在使用周期的前期呈现上升趋势，即自补强性。三元乙丙橡胶属于非结晶性橡胶，不具备自补强性，使用时需加入炭黑、白炭黑、碳酸钙等填料补强后才有较好的拉伸强度。其中前两种最为常用，纳米碳酸钙由于单独使用时补强作用不明显而常与白炭黑等协同补强[邹德荣.纳米CaCO3对三元乙丙橡胶材料力学性能影响研究.江苏化工,2002,30(4):35-37]或经不饱和羧酸[一种纳米碳酸钙补强三元乙丙橡胶的制备方法.CN 200510027344.2]等改性处理后再使用，其最好实验结果的拉伸强度依次为16.0MPa和19.7MPa；而单独使用矿物性补强剂水合二氧化硅[填充矿物性补强剂的耐热三元乙丙橡胶.CN 201010541595.3]或甲基丙烯酸缩水甘油酯等改性炭黑[原位改性炭黑补强三元乙丙橡胶及其制备方法.CN200410022841.9]补强的最好结果依次为19.58MPa和19.5MPa。此外，使用炭黑等进行补强时所得到的材料均不透明，使其使用受到影响。
发明内容
作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现，采用经一定方式处理后的织物状碳纤维作为补强剂对三元乙丙橡胶进行补强，可得到力学性能优异且呈半透明的复合材料。基于这种发现，完成了本发明。
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是通过混炼和辐射交联的方法，制备了一种三元乙丙橡胶复合材料。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种三元乙丙橡胶复合材料，所述复合材料的配方组成按重量计为：三元乙丙橡胶100份，碳纤维25～60份，增熔剂0.3～0.6份，辐射敏化剂0～5份。
优选的是，其中，所述复合材料的配方组成按重量计为：三元乙丙橡胶100份，碳纤维25份，增熔剂0.4份，辐射敏化剂3份。
优选的是，其中，所述三元乙丙橡胶为1705、4770R、CP80、J4045、4570三元乙丙橡胶中的任意一种；所述碳纤维为商品型碳纤维中的任意一种，使用前编织成孔隙间距为0.1～0.4毫米的织物；所述增熔剂为硬脂酸、硅烷偶联剂、钛酸酯中的任意一种；所述辐射敏化剂为二丙烯酸-1,6-己二醇酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三烯丙基异氰脲酸酯、三烯丙基氰脲酸酯中的任意一种。
优选的是，其中，所述商品型碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维中的任意一种；所述碳纤维的丝束小于6K。
优选的是，其中，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-540、硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH551、硅烷偶联剂KH580、硅烷偶联剂A-151中的任意一种。
优选的是，其中，所述钛酸酯为钛酸酯偶联剂101、钛酸酯偶联剂105、钛酸酯CB-401、钛酸酯CB311W中的任意一种。
本发明的目的还可以进一步由一种制备三元乙丙橡胶复合材料的方法来实现，该方法包括以下步骤：
步骤一、将增熔剂加入乙醇中配制成质量浓度为0.8～1.0％的处理液，按重量份，将碳纤维浸入到25～60份处理液中，浸泡12～16小时，然后在70～80℃下干燥4～8小时；
步骤二、按重量份，将50份三元乙丙橡胶置入双棍开炼机中，在110～120℃下进行开炼，混炼过程中加入辐射敏化剂，混炼15～20分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力100～150kg.cm-2和温度110～130℃的条件下进行压延，制备成厚度为0.5～1.0毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力100～150kg.cm-2和温度110～130℃的条件下进行压延，制备成厚度为1.0～2.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于γ射线辐照场或电子束加速器中，使其总吸收剂量保持50～200kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料。
优选的是，所述步骤一中的乙醇由环氧氯丙烷代替。
本发明所述步骤一中含有增熔剂的乙醇或环氧氯丙烷溶液需提前按重量比例配置，待混合体系澄清透明后即可使用。
本发明步骤二中的成型可通过不锈钢质模具，无需特殊镀层，使用前后保持模具清洁即可。
本发明步骤三中为一次性完成辐射交联，同时吸收剂量率不受限制，兼顾时效的情况下，样品放置位置选用100～170Gy.min-1的吸收剂量率。
本发明至少包括以下有益效果：本发明不只是将碳纤维与三元乙丙橡胶简单混合，而是通过将碳纤维制成织物并在混前使用增熔剂进行表面处理，明显改善了三元乙丙橡胶与碳纤维的界面结合，同时借助于辐射交联使碳纤维通过增熔剂的桥联作用连接至乙丙橡胶的交联网格上，从而实现了填料与基体的强结合，碳纤维/三元乙丙橡胶复合材料的物理机械强度随之得到显著提高，其中增熔剂对碳纤维补强作用的发挥起到了较为重要的作用，碳纤维补强三元乙丙橡胶的拉伸强度大于50MPa，并且由于使用的是织物状碳纤维作为补强剂，因此制备的三元乙丙橡胶复合材料呈半透明状；同时该复合材料的制备过程控制简捷、重复性好。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
步骤一、将硬脂酸加入乙醇中配制成质量浓度为1.0％的处理液，按重量份，将25份孔隙间距为0.1毫米的聚丙烯腈基碳纤维织物浸入到25份处理液中，浸泡12小时，然后在80℃下干燥4小时；
步骤二、按重量份，将50份三元乙丙橡胶CP80置入双棍开炼机中，在110℃下进行开炼，混炼15分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力100kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为0.5毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力100kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为1.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于电子束加速器中，使其总吸收剂量保持70kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料，该复合材料的拉伸强度达到61.68MPa。
实施例2：
步骤一、将硅烷偶联剂KH-540加入乙醇中配制成质量浓度为0.8％的处理液，按重量份，将30份孔隙间距为0.4毫米的酚醛基碳纤维织物浸入到40份处理液中，浸泡15小时，然后在80℃下干燥4小时；
步骤二、按重量份，将50份三元乙丙橡胶J4045置入双棍开炼机中，在120℃下进行开炼，加入3份二丙烯酸-1,6-己二醇酯，混炼20分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力140kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为1毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力140kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为2.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于γ射线辐照场中，置于吸收剂量率170Gy.min-1处使其总吸收剂量保持150kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料；该复合材料的拉伸强度达到57.01MPa。
实施例3：
步骤一、将硅烷偶联剂KH-560加入环氧氯丙烷中配制成质量浓度为0.9％的处理液，按重量份，将40份孔隙间距为0.2毫米的粘胶基碳纤维织物浸入到50份处理液中，浸泡15小时，然后在70℃下干燥8小时；
步骤二、按重量份，将50份三元乙丙橡胶1705置入双棍开炼机中，在110℃下进行开炼，混炼16分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力150kg.cm-2和温度110℃的条件下进行压延，制备成厚度为0.5毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力150kg.cm-2和温度110℃的条件下进行压延，制备成厚度为1.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于γ射线辐照场中，置于吸收剂量率150Gy.min-1处使其总吸收剂量保持100kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料；该复合材料的拉伸强度达到57.12MPa。
实施例4：
步骤一、将硅烷偶联剂KH580加入环氧氯丙烷中配制成质量浓度为0.9％的处理液，按重量份，将50份孔隙间距为0.3毫米的沥青基碳纤维织物浸入到60份处理液中，浸泡16小时，然后在75℃下干燥6小时；
步骤二、按重量份，将50份三元乙丙橡胶4770R置入双棍开炼机中，在110℃下进行开炼，加入5份三烯丙基异氰脲酸酯，混炼20分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力150kg.cm-2和温度130℃的条件下进行压延，制备成厚度为1毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力150kg.cm-2和温度130℃的条件下进行压延，制备成厚度为2.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于γ射线辐照场中，置于吸收剂量率100Gy.min-1处使其总吸收剂量保持200kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料；该复合材料的拉伸强度达到55.58MPa。
实施例5：
步骤一、将硅烷偶联剂A-151加入乙醇中配制成质量浓度为1％的处理液，按重量份，将60份孔隙间距为0.2毫米的沥青基碳纤维织物浸入到60份处理液中，浸泡16小时，然后在80℃下干燥6小时；
步骤二、按重量份，将50份三元乙丙橡胶4570置入双棍开炼机中，在115℃下进行开炼，加入2份三烯丙基异氰脲酸酯，混炼18分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力130kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为0.5毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力130kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为1.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于电子束加速器中，使其总吸收剂量保持50kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料；该复合材料的拉伸强度达到58.82MPa。
实施例6：
步骤一、将硅烷偶联剂KH560加入乙醇中配制成质量浓度为1％的处理液，将50g孔隙间距为0.2毫米的沥青基碳纤维织物浸入到60g处理液中，浸泡12小时，然后在80℃下干燥4小时；
步骤二、将50g三元乙丙橡胶CP80置入双棍开炼机中，在120℃下进行开炼，加入2g三烯丙基异氰脲酸酯，混炼20分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力150kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为0.5毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力130kg.cm-2和温度120℃的条件下进行压延，制备成厚度为1.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于电子束加速器中，使其总吸收剂量保持180kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料；该复合材料的拉伸强度达到56.44MPa。
实施例7：
步骤一、将硅烷偶联剂KH550加入环氧氯丙烷中配制成质量浓度为0.8％的处理液，将30g孔隙间距为0.3毫米的聚丙烯腈基碳纤维织物浸入到30g处理液中，浸泡15小时，然后在80℃下干燥6小时；
步骤二、将50g三元乙丙橡胶CP80置入双棍开炼机中，在120℃下进行开炼，加入5g三烯丙基异氰脲酸酯，混炼18分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力100kg.cm-2和温度130℃的条件下进行压延，制备成厚度为1毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力100kg.cm-2和温度130℃的条件下进行压延，制备成厚度为1.5毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于γ射线辐照场中，置于吸收剂量率150Gy.min-1处使其总吸收剂量保持100kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料；该复合材料的拉伸强度达到58.63MPa。
实施例8：
步骤一、将硅烷偶联剂KH551加入环氧氯丙烷中配制成质量浓度为1％的处理液，将25g孔隙间距为0.2毫米的聚丙烯腈基碳纤维织物浸入到50g处理液中，浸泡16小时，然后在80℃下干燥8小时；
步骤二、将50g三元乙丙橡胶CP80置入双棍开炼机中，在120℃下进行开炼，混炼18分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力150kg.cm-2和温度130℃的条件下进行压延，制备成厚度为1毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力150kg.cm-2和温度130℃的条件下进行压延，制备成厚度为2毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于电子束加速器中，使其总吸收剂量保持200kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料；该复合材料的拉伸强度达到54.24MPa。
在已公开的学术论文和专利文献[邹德荣.纳米CaCO3对三元乙丙橡胶材料力学性能影响研究.江苏化工,2002,30(4):35-37]、[填充矿物性补强剂的耐热三元乙丙橡胶.CN201010541595.3]、[一种纳米碳酸钙补强三元乙丙橡胶的制备方法.CN 200510027344.2]、[原位改性炭黑补强三元乙丙橡胶及其制备方法.CN 200410022841.9]，中得到的三元乙丙橡胶复合材料的拉伸强度均低于20MPa，且材料本身不透明，而本发明制备的复合材料的拉伸强度高于50MPa，力学性能优异，且使用织物状碳纤维作为增强剂，使材料呈半透明。
可见，本发明中采用的原料按所述比例，并且在复合材料的制备工艺过程中，各个参数在所述的范围内，制备的复合材料半透明且力学性能优异。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。

Claims (8)

1.一种三元乙丙橡胶复合材料，所述复合材料的配方组成按重量计为：三元乙丙橡胶100份，碳纤维25～60份，增熔剂0.3～0.6份，辐射敏化剂0～5份；其中，
所述三元乙丙橡胶为1705、4770R、CP80、J4045、4570三元乙丙橡胶中的任意一种；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，使用前编织成孔隙间距为0.1～0.4毫米的织物；所述碳纤维的丝束小于6K；
所述增熔剂为钛酸酯；
所述辐射敏化剂为二丙烯酸-1,6-己二醇酯。
2.如权利要求1所述的三元乙丙橡胶复合材料，其中，所述复合材料的配方组成按重量计为：三元乙丙橡胶100份，碳纤维25份，增熔剂0.4份，辐射敏化剂3份。
3.如权利要求1所述的三元乙丙橡胶复合材料，其中，
所述钛酸酯替换为为硬脂酸、硅烷偶联剂中的任意一种；
所述辐射敏化剂二丙烯酸-1,6-己二醇酯替换为三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三烯丙基异氰脲酸酯、三烯丙基氰脲酸酯中的任意一种。
4.如权利要求1所述的三元乙丙橡胶复合材料，其中，所述聚丙烯腈基碳纤维替换为沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维中的任意一种。
5.如权利要求3所述的三元乙丙橡胶复合材料，其中，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-540、硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH551、硅烷偶联剂KH580、硅烷偶联剂A-151中的任意一种。
6.如权利要求1所述的三元乙丙橡胶复合材料，其中，所述钛酸酯为钛酸酯偶联剂101、钛酸酯偶联剂105、钛酸酯CB-401、钛酸酯CB311W中的任意一种。
7.一种制备如权利要求1～4中任一项所述的三元乙丙橡胶复合材料的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将增熔剂加入乙醇中配制成质量浓度为0.8～1.0％的处理液，按重量份，将碳纤维浸入到25～60份处理液中，浸泡12～16小时，然后在70～80℃下干燥4～8小时；
步骤二、按重量份，将50份三元乙丙橡胶置入双棍开炼机中，在110～120℃下进行开炼，混炼过程中加入辐射敏化剂，混炼15～20分钟；将混炼后的物料置于模具中，并在压力100～150kg.cm-2和温度110～130℃的条件下进行压延，制备成厚度为0.5～1.0毫米的三元乙丙橡胶薄片，然后将经过处理液处理的干燥的碳纤维夹于压制好的两层三元乙丙橡胶薄片之间，再次置于模具中在压力100～150kg.cm-2和温度110～130℃的条件下进行压延，制备成厚度为1.0～2.0毫米的片材；
步骤三、待片材冷却至室温后塑封，置于γ射线辐照场或电子束加速器中，使其总吸收剂量保持50～200kGy进行辐射交联；完成辐照后，拆除塑封，裁去边缘即得呈半透明状的三元乙丙橡胶复合材料。
8.如权利要求7所述的三元乙丙橡胶复合材料的制备方法，其中，所述步骤一中的乙醇由环氧氯丙烷代替。
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