CN106117662A - 一种超临界co2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法 - Google Patents

一种超临界co2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，将芳纶浆粕置于不锈钢高压反应釜内，采用空压机将CO2充入反应釜中，使反应釜内部空间的压力达到超临界CO2状态以上进行溶胀反应，反应后，立即泄压，即获得不同条件下的改性芳纶浆粕；然后将改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶进行预混；最后在高速粉碎机中均匀混合，在平板硫化机中热压成型，保压冷却即可。本发明提高了复合材料的表面粗糙程度，增强与橡胶基体的黏结性能，提高芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度，改性后芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料在一定程度上得到了提高。

Description

一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的 方法
技术领域
本发明属于芳纶浆粕改性领域，涉及一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法。
背景技术
芳纶浆粕是PPTA纤维的差别化衍生产物，PPTA纤维的化学结构与其基本相似，但它却拥有不相似的表面形貌和性质。芳纶浆粕是一种短纤维产品，它具有高强度、高模量、热稳定性等性能，它作为一种理想的增强材料在先进复合材料中被广泛的使用。由于芳纶浆粕对于芳纶纤维来说具有很大的比表面积，且表面浸润性较差。因此，大多数表面处理技术一直专注于改善芳纶浆粕/基体之间的界面粘合性能，其中包括超声波处理、化学改性法、氧化法、涂层法和等离子体放电法等。虽然这些表面处理方法改善了芳纶浆粕/基体的界面性质，但是这些方法往往导致对机械强度的破坏的负面影响，且生产成本高，工艺程序复杂。因此有必要采取一种简单又有效的改性芳纶纤维的方法。
超临界CO2流体临界温度为31.26℃，临界压力为72.9标准大气压(atm)，临界条件容易达到；CO2价格便宜，纯度高，容易获得它具有很大的可压缩性，在临界点附近，温度和压力的极小变化即可引起流体的密度、介电常数、极化率和分子行为等产生较大的变化，具有无毒环保、密度近于液体，粘度近于气体、扩散系数高、溶解渗透能力大等优点，用超临界CO2可以溶解多种物质在药物提取、发泡、污水处理等领域存在重要用途。利用超临界CO2流体技术进行聚合物改性是新发展起来的一种方法。
该方法具有经济环保、反应可控、反应时间短，溶剂与产品分离简单等优点，存在较大工业应用价值。
到目前为止，关于将超临界CO2流体技术与芳纶浆粕改性结合增强橡胶复合材料的技术报道还没有发现，超临界流体的很多优点如：无毒环保、密度近于液体，粘度近于气体、扩散系数高、溶解渗透能力大等都对其在芳纶浆粕表面改性方面的应用有很大优势。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，将芳纶浆粕置于不锈钢高压反应釜内，采用空压机将CO2充入反应釜中，使反应釜内部空间的压力达到超临界CO2状态以上进行溶胀反应，反应后，立即泄压，即获得不同条件下的改性芳纶浆粕；然后将改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶进行预混；最后在高速粉碎机中均匀混合，在平板硫化机中热压成型，保压冷却即可。
优选地，所述芳纶浆粕在使用前采用丙酮清洗去浆，然后在真空烘箱120℃下干燥8小时。
优选地，所述促进剂为二硫化四甲基秋兰姆。
优选地，所述硫化剂为N，N’-(1，3-亚苯基)二马来酰亚胺，质量纯度为97％。
优选地，所述空压机将CO2充入反应釜时，釜内温度为60～120℃。
优选地，所述空压机将CO2充入反应釜前，须先排除釜内空气。
优选地，所述溶胀反应的反应时间为30～90min。溶胀反应是内对芳纶浆粕进行渗透而发生塑化重排，其反应时间从CO2进入反应釜内达到要求的压力后开始计时
优选地，所述卸压具体为：打开出气阀，使釜内压力降为常压。快速降压是为了让芳纶浆粕迅速发散开来。
优选地，所述的助剂为氧化锌和硬脂酸。
更优选地，所述改性芳纶浆粕、促进剂、氧化锌、硬脂酸、助剂与丁腈橡胶的质量比为1∶5∶1∶1∶1.5∶100。
通过本发明提供的超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，提高其表面粗糙程度，增强与橡胶基体的黏结性能，提高芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度，改性后芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料在一定程度上得到了提高，超临界二氧化碳改性芳纶浆粕确实可以提高其与橡胶的界面黏结性。
在超临界状态下，由于CO2流体具有极强的渗透能力，使CO2能够快速的渗入到芳纶浆粕的表面及内部，使得芳纶浆粕的表面变得粗糙，有利于与橡胶基体结合，从而有利于复合材料力学性能的提高。另外，在一定压力、时间和温度下，在超临界CO2下，由于引入含氧官能团，使芳纶浆粕表面的元素发生了变化也有利于与树脂基体结合，提高了复合材料的力学性能。本发明通过超临界二氧化碳流体对芳纶浆粕进行表面改性，从而提高与橡胶基体的界面性能，同时在超临界CO2流体环境下，芳纶浆粕由于流体极强的渗透能力以及引入了含氧官能团，在一定程度上提高了芳纶浆粕增强橡胶复合材料的力学性能。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。
本发明所要研究的是在超临界二氧化碳条件下，不同时间、温度、压力对复合材料性能的影响，浆粕的质量是固定的，下述不同实施例中，通过改变时间、压力、温度来说明复合材料拉伸强度的改变。
实施例1
一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将清洗干燥的芳纶浆粕放入不锈钢反应釜中；
(2)在90℃下，先排除反应釜内的空气，再用空气压缩机把CO2充入反应釜内，待压力达到11MPa时，在此条件下反应60min，快速泄压，即获得改性的芳纶浆粕。
(3)取一定量的改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶按一定的配比进行预混。以不含改性芳纶浆粕的橡胶材料为对比组。然后在高速粉碎机中均匀混合2min，最后在平板硫化机中热压成型，保压冷却。浆粕质量为100g，配比比为1∶5∶1∶1∶1.5∶100∶适量，下同。
(4)通过测试得到改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性的芳纶浆粕增强橡胶复合材料提高了13.5％。
实施例2
一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将清洗干燥的芳纶浆粕放入不锈钢反应釜中；
(2)在90℃下，先排除反应釜内的空气，再用空气压缩机把CO2充入反应釜内，待压力达到13MPa时，在此条件下反应60min，快速泄压，即获得改性的芳纶浆粕。
(3)取一定量的改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶按一定的配比进行预混。以不含改性芳纶浆粕的橡胶材料为对比组。然后在高速粉碎机中均匀混合2min，最后在平板硫化机中热压成型，保压冷却。
(4)通过测试得到改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性的芳纶浆粕增强橡胶复合材料提高了58.3％。
实施例3
一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将清洗干燥的芳纶浆粕放入不锈钢反应釜中；
(2)在90℃下，先排除反应釜内的空气，再用空气压缩机把CO2充入反应釜内，待压力达到15MPa时，在此条件下反应60min，快速泄压，即获得改性的芳纶浆粕。
(3)取一定量的改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶按一定的配比进行预混。以不含改性芳纶浆粕的橡胶材料为对比组。然后在高速粉碎机中均匀混合2min，最后在平板硫化机中热压成型，保压冷却。
(4)通过测试得到改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性的芳纶浆粕增强橡胶复合材料提高了39.6％。
实施例4
一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将清洗干燥的芳纶浆粕放入不锈钢反应釜中；
(2)在60℃下，先排除反应釜内的空气，再用空气压缩机把CO2充入反应釜内，待压力达到13MPa时，在此条件下反应60min，快速泄压，即获得改性的芳纶浆粕。
(3)取一定量的改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶按一定的配比进行预混。以不含改性芳纶浆粕的橡胶材料为对比组。然后在高速粉碎机中均匀混合2min，最后在平板硫化机中热压成型，保压冷却。
(4)通过测试得到改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性的芳纶浆粕增强橡胶复合材料提高了17％。
实施例5
一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将清洗干燥的芳纶浆粕放入不锈钢反应釜中；
(2)在120℃下，先排除反应釜内的空气，再用空气压缩机把CO2充入反应釜内，待压力达到13MPa时，在此条件下反应60min，快速泄压，即获得改性的芳纶浆粕。
(3)取一定量的改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶按一定的配比进行预混。以不含改性芳纶浆粕的橡胶材料为对比组。然后在高速粉碎机中均匀混合2min，最后在平板硫化机中热压成型，保压冷却。
(4)通过测试得到改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性的芳纶浆粕增强橡胶复合材料提高了28％。
实施例6
一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将清洗干燥的芳纶浆粕放入不锈钢反应釜中；
(2)在90℃下，先排除反应釜内的空气，再用空气压缩机把CO2充入反应釜内，待压力达到13MPa时，在此条件下反应30min，快速泄压，即获得改性的芳纶浆粕。
(3)取一定量的改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶按一定的配比进行预混。以不含改性芳纶浆粕的橡胶材料为对比组。然后在高速粉碎机中均匀混合2min，最后在平板硫化机中热压成型，保压冷却。
(4)通过测试得到改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性的芳纶浆粕增强橡胶复合材料提高了23.9％。
实施例7
一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将清洗干燥的芳纶浆粕放入不锈钢反应釜中；
(2)在90℃下，先排除反应釜内的空气，再用空气压缩机把CO2充入反应釜内，待压力达到13MPa时，在此条件下反应90min，快速泄压，即获得改性的芳纶浆粕。
(3)取一定量的改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶按一定的配比进行预混。以不含改性芳纶浆粕的橡胶材料为对比组。然后在高速粉碎机中均匀混合2min，最后在平板硫化机中热压成型，保压冷却。
(4)通过测试得到改性芳纶浆粕增强橡胶复合材料的拉伸强度比未改性的芳纶浆粕增强橡胶复合材料提高了28.1％。

Claims (10)

1.一种超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，将芳纶浆粕置于不锈钢高压反应釜内，采用空压机将CO2充入反应釜中，使反应釜内部空间的压力达到超临界CO2状态以上进行溶胀反应，反应后，立即泄压，即获得不同条件下的改性芳纶浆粕；然后将改性芳纶浆粕、促进剂、硫化剂、助剂和丁腈橡胶进行预混；最后在高速粉碎机中均匀混合，在平板硫化机中热压成型，保压冷却即可。
2.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述芳纶浆粕在使用前采用丙酮清洗去浆，然后在真空烘箱120℃下干燥8小时。
3.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述促进剂为二硫化四甲基秋兰姆。
4.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述硫化剂为N，N’-(1，3-亚苯基)二马来酰亚胺，质量纯度为97％。
5.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述空压机将CO2充入反应釜时，釜内温度为60～120℃。
6.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述空压机将CO2充入反应釜前，须先排除釜内空气。
7.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述溶胀反应的反应时间为30～90min。
8.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述卸压具体为：打开出气阀，使釜内压力降为常压。
9.如权利要求1所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述的助剂为氧化锌和硬脂酸。
10.如权利要求9所述的超临界CO2流体改性芳纶浆粕表面增强橡胶复合材料的方法，其特征在于，所述改性芳纶浆粕、促进剂、氧化锌、硬脂酸、助剂与丁腈橡胶的质量比为1∶5∶1∶1∶1.5∶100。
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