CN107722346A - 改性炭黑复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性炭黑复合材料及其制备方法和应用。所述的改性炭黑复合材料，包括炭黑1‑90wt％和无机纳米材料10‑20wt％，所述无机纳米材料紧密贴合于所述炭黑表面和/或嵌入所述炭黑内。本发明提供的改性炭黑复合材料中无机纳米材料与炭黑结合，增加了炭黑表面的粗糙度，以及增加了炭黑表面的高能活性点，从而提高了改性炭黑复合材料在橡胶材料中的补强性能，在橡胶材料制备中减少了炭黑的使用量，节约了生产成本。

Description

改性炭黑复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种纳米材料，特别涉及一种改性炭黑复合材料及其制备方法和应用，属于纳米材料技术领域。
背景技术
无机纳米材料因其独特的纳米尺寸效应和较高的表面活性，在橡胶基体中具有一定的补强效果，但是由于纳米材料本体之间存在强烈的团聚作用，且与橡胶大分子的界面相容性不好等原因，导致了无机纳米材料在橡胶基体中的分散性能不好，大大影响了其补强性能的发挥。为了解决上述问题，人们习惯上对无机纳米材料本身进行表面改性，很多科研院所都进行过相关尝试，但是采取表面改性的方法往往会导致生产成本大大增加，改性效果也未必良好，因此影响了无机纳米材料潜在价值的发挥。而橡胶行业中早已大量使用的传统补强材料炭黑就不存在上述问题，但是炭黑也有其自身缺点，即生产炭黑的基本原料毕竟是石油、煤炭、天然气等越来越珍贵的战略能源物资，这就迫使人们不得不开发新型补强材料，减少炭黑生产的数量，摆脱或降低对炭黑的依赖。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种改性炭黑复合材料及其制备方法和应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例一方面提供了一种改性炭黑复合材料，包括炭黑1-90wt％和无机纳米材料10-20wt％，所述无机纳米材料紧密贴合于所述炭黑表面和/或嵌入所述炭黑内。
进一步的，所述无机纳米材料紧密贴合于所述炭黑微晶区域凹凸不平的表面和/或嵌入所述炭黑的微孔和中孔内，所述微孔的孔径为10-100nm，所述中孔的孔径为300-500nm。
更进一步的，所述改性炭黑复合材料的比表面积为86-129m2/g，所述改性炭黑材料的孔隙率为50-90％。
优选的，所述无机纳米材料包括无机纳米晶体，所述无机纳米晶体包括纳米级的氢氧化物，所述氢氧化物的粒径为10-50nm。
更为优选的，所述无机纳米晶体的形状为针状，针状无机纳米晶体的长度不超过100nm；所述针状无机纳米晶体针尖部位的长度和断面宽度之比不小于10，所述针状无机纳米晶体针尖部位的断面宽度和/或厚度小于10nm。
本发明实施例还提供了一种制备所述改性炭黑复合材料的方法，包括：将无机纳米材料分散于水溶液中形成无机纳米材料的水性分散体系，调节所述水性分散体系的pH为8-11，将炭黑与无机纳米材料的水性分散体系于80-120℃混合后获得所述改性炭黑复合材料。
优选的，所述无机纳米材料于炭黑的质量比为1∶4-5。
本发明实施例还提供了一种橡胶补强填料，包括所述改性炭黑复合材料或由所述的方法制备的改性炭黑复合材料。
本发明实施例另一方面还提供了一种橡胶材料，包括所述的橡胶补强填料。
进一步的，所述橡胶材料包括按重量份计算的如下组分：橡胶100份、改性炭黑复合材料30-50份、氧化锌2-6份、硬脂酸2-4份、硫磺1-5份，促进剂0.2-0.8份。
与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明提供的改性炭黑复合材料中无机纳米材料与炭黑结合，增加了炭黑表面的粗糙度，以及增加了炭黑表面的高能活性点，从而提高了改性炭黑复合材料在橡胶材料中的补强性能，在橡胶材料制备中减少了炭黑的使用量，节约了生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例1中橡胶补强填料的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例一方面提供了一种改性炭黑复合材料，包括炭黑1-90wt％和无机纳米材料10-20wt％，所述无机纳米材料紧密贴合于所述炭黑表面和/或嵌入所述炭黑内。
进一步的，所述无机纳米材料紧密贴合于所述炭黑微晶区域凹凸不平的表面和/或嵌入所述炭黑的微孔和中孔内，所述微孔的孔径为10-100nm，所述中孔的孔径为300-500nm。
更进一步的，所述改性炭黑复合材料的比表面积为86-129m2/g，所述改性炭黑材料的孔隙率为50-90％。
优选的，所述无机纳米材料包括无机纳米晶体，所述无机纳米晶体包括纳米级的氢氧化物，所述氢氧化物的粒径为10-50nm。
更为优选的，所述无机纳米晶体的形状为针状，针状无机纳米晶体的长度不超过100nm；所述针状无机纳米晶体针尖部位的长度和断面宽度之比不小于10，所述针状无机纳米晶体针尖部位的断面宽度和/或厚度小于10nm。
本发明实施例还提供了一种制备所述改性炭黑复合材料的方法，包括：将无机纳米材料分散于水溶液中形成无机纳米材料的水性分散体系，调节所述水性分散体系的pH为8-11，将炭黑与无机纳米材料的水性分散体系于80-120℃混合后获得所述改性炭黑复合材料。
优选的，所述无机纳米材料于炭黑的质量比为1∶4-5。
本发明实施例还提供了一种橡胶补强填料，包括所述改性炭黑复合材料或由所述的方法制备的改性炭黑复合材料。
本发明实施例另一方面还提供了一种橡胶材料，包括所述的橡胶补强填料。
进一步的，所述橡胶材料包括按重量份计算的如下组分：橡胶100份、改性炭黑复合材料30-50份、氧化锌2-6份、硬脂酸2-4份、硫磺1-5份，促进剂0.2-0.8份。
如下将结合具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
本实施例以炭黑基/针状纳米氢氧化铝复合填料为例，介绍其制备方法和应用。选取油炉法炭黑N220为基体材料，并现场制备针状纳米氢氧化铝的水性分散体系。首先，以100克三氧化二铝为原材料，溶解在体积为5L质量百分比浓度为10％的稀硫酸溶液中，充分搅拌，然后逐渐加入5％的氢氧化钠溶液，调节恒温水浴的温度在50±5℃，最终调节溶液的PH值在8～11之间，待体系稳定后现场检测合成的纳米晶粒的大小，满足要求后把事先称量好的1000克炭黑倒入分散体系，并混合均匀，经充分洗涤后过滤干燥，即制备好改性炭黑复合材料。
根据上述制备的改性炭黑复合材料制备的橡胶材料，包括橡胶100份，炭黑50份，氧化锌5份，硬脂酸3份，硫磺2.5份，促进剂0.6份。按照GB3708.18-2006中规定的开炼方法进行混炼，做成硫化胶拉伸试样。经检测，N220的初始300％定伸为14.4MPa，拉伸强度为24.5MPa，而该复合填料对应的两项检测结果分别为15.9MPa和26.0MPa。上述检测结果证实该新型纳米复合填料的补强性能比相应的ASTM商品炭黑有明显提高，既减少了对炭黑的使用，又在原有基础上提高了补强效果。
本发明根据炭黑或白炭黑等填料增强橡胶的机理，利用炭黑微晶区域的晶体缺陷和原生粒子之间密集的微孔所形成的炭黑强烈的吸附性能，把针状无机纳米材料紧密的贴合在炭黑微晶区域凹凸不平的表面，或者渗透进微孔和中孔之中，以增加炭黑表面整体的粗糙程度，同时发挥出无机纳米材料晶格边缘活性高的优势，将传统补强材料炭黑和新型无机纳米材料的优点良好的结合起来，互相取长补短，优势互补，设计并制备了一种新型的微晶表面粗糙度较高的炭黑基纳米补强填料即前述改性炭黑复合材料。附图1提供了该新型填料的结构示意图。新型填料的基体仍然是炭黑，但是在炭黑的微晶区域和微孔和/或中孔位置，因为吸附有一定数量的针状无机纳米材料，导致炭黑表面的高能活性点大大增加，尤其是原本不具有补强功能或者补强能力甚微的微孔处和微晶结构的有序区域变化最大。
本发明提供的改性炭黑复合材料的制备方法可以有多种选择，比如可以事先制备出针状无机纳米材料的水性分散体系，或者从市场上购买适用的无机纳米材料并均匀分散在水溶液中，然后将炭黑与无机纳米材料的水性分散体系均匀混合，同时根据不同无机材料的特性调节到合适的温度和PH值，最后进行过滤干燥处理。
本发明提供的改性炭黑复合材料中无机纳米材料与炭黑结合，增加了炭黑表面的粗糙度，以及增加了炭黑表面的高能活性点，从而提高了改性炭黑复合材料在橡胶材料中的补强性能，在橡胶材料制备中减少了炭黑的使用量，节约了生产成本。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改性炭黑复合材料，其特征在于包括炭黑1-90wt％和无机纳米材料10-20wt％，所述无机纳米材料紧密贴合于所述炭黑表面和/或嵌入所述炭黑内。
2.根据权利要求1所述的改性炭黑复合材料，其特征在于：所述无机纳米材料紧密贴合于所述炭黑微晶区域凹凸不平的表面和/或嵌入所述炭黑的微孔和中孔内，所述微孔孔径为10-100nm，所述中孔的孔径为300-500nm。
3.根据权利要求1所述的改性炭黑复合材料，其特征在于：所述改性炭黑复合材料的比表面积为86-129m2/g，所述改性炭黑材料的孔隙率为50-90％。
4.根据权利要求1所述的改性炭黑复合材料，其特征在于：所述无机纳米材料包括无机纳米晶体，所述无机纳米晶体包括纳米级的氢氧化物，所述氢氧化物的粒径为10-50nm。
5.根据权利要求4所述的改性炭黑复合材料，其特征在于：所述无机纳米晶体的形状为针状，针状无机纳米晶体的长度不超过100nm；所述针状无机纳米晶体针尖部位的长度和断面宽度之比不小于10，所述针状无机纳米晶体针尖部位的断面宽度和/或厚度小于10nm。
6.一种制备权利要求1-5中任一项所述改性炭黑复合材料的方法，其特征在于包括：将无机纳米材料分散于水溶液中形成无机纳米材料的水性分散体系，调节所述水性分散体系的pH为8-11，将炭黑与无机纳米材料的水性分散体系于80-120℃混合后获得所述改性炭黑复合材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述无机纳米材料于炭黑的质量比为1∶4-5。
8.一种橡胶补强填料，其特征在于包括权利要求1-5中任一项所述改性炭黑复合材料或权利要求6-7中任一项所述的方法制备的改性炭黑复合材料。
9.一种橡胶材料，其特征在于包括权利要求8所述的橡胶补强填料。
10.根据权利要求9所述的橡胶材料，其特征在于包括按重量份计算的如下组分：橡胶100份、改性炭黑复合材料30-50份、氧化锌2-6份、硬脂酸2-4份、硫磺1-5份，促进剂0.2-0.8份。
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