CN110317374B - 一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及特种车辆实心轮橡胶材料领域，具体涉及一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶及其制备方法。具体为以天然橡胶作为主体聚合物，采用丙烯酸锌包覆短切碳纤维的方法改性短切碳纤维，并与炭黑、白炭黑及导热填料进行复合填充，制备特种车辆实心轮橡胶材料。与现有技术相比，本发明在保持橡胶材料力学性能及承载性能的前提下，提高了特种车辆实心轮橡胶的弹性与热稳定性，而且改善了实心轮橡胶与金属表面的粘接稳定性。

Description

一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及实心轮胎橡胶材料领域，具体涉及一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶及其制备方法。
背景技术
特种车辆实心轮一般是指履带式坦克装甲车实心轮胎，也可为空轨列车走行轮实心轮。
履带式特种车辆实心轮装配在履带车辆的金属履带上，随履带滚动起到支撑车体和减震的作用。履带式特种车辆实心轮橡胶材料使用工况苛刻，要求具有高模量、高承载、高弹性的特点，在周期性应力应变下具有热稳定性，而且与金属部件具有稳定的粘接性能。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量、耐高温、耐疲劳性能优异的纤维材料，短切碳纤维在减震橡胶及轮胎中已得到应用。为了提高短切碳纤维与橡胶高分子界面之间的界面结合能力，普遍对短切碳纤维进行表面改性处理。例如：CN102382339B介绍了一种用硅烷偶联剂表面处理碳纤维及碳纳米管制备轴承用低噪声纳米高分子材料的方法；CN109762212A将短切碳纤维浸入硝酸溶液中超声处理之后，再进行等离子处理的方法改性短切碳纤维，进而制备超耐磨输送带；CN107459682A利用浓硝酸改性短切碳纤维的方法，改善碳纤维与橡胶基体的界面粘合性；CN106349526B采用乙烯基三乙氧基硅烷、三乙醇胺和聚乙二醇的乙醇溶液作为改性剂，进行短切碳纤维改性，制备一种基于改性短切碳纤维的刹车带；CN103265763B通过将短切碳纤维从大豆油中取出沥干的方法，制备改性碳纤维的橡胶电缆护套。上述方法均在改进短切碳纤维与橡胶聚合物界面粘合方面得到不同程度的提高，但均未兼顾短切碳纤维的橡胶材料与金属构件之间的粘接性能。
现有实心轮橡胶存在热稳定性不够理想，难以适应高速、高载荷的应用工况环境，为此需通过加入耐高温、耐磨的碳纤维来增加橡胶材料的模量与耐热性，但直接添加往往会导致橡胶与金属构件粘接强度下降，碳纤维的已有改性技术通常不能兼顾橡胶材料与金属的粘接性能。
本发明的目的是提供一种基于改性短切碳纤维的实心轮橡胶材料，与现有技术相比，不仅能够改善短切碳纤维与橡胶的界面特性，而且还可提高实心轮橡胶与金属的表面粘接强度，提高实心轮橡胶与金属构件粘接稳定性，而且本发明操作简单，成本低廉。
发明内容
本发明提供一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料及其制备方法，涉及材料与金属构件的粘接性能，具体包括如下步骤：
(1)改性短切碳纤维的制备
(2)特种车辆实心轮橡胶材料制备
其中，步骤(1)中所述的工艺过程为首先将短切碳纤维用丙烯酸浸润(用量可根据实际操作将碳纤维完全浸润即可)，加入氧化锌包覆浸润的短切碳纤维并放置24小时以上；然后水洗至PH＝7，水洗时间控制在30分钟以内，晾置或在常温～100℃烘箱中干燥直至恒重即可。
进一步地，步骤(1)中所述的氧化锌与短切碳纤维的比例为2/12～4/12。
进一步地，步骤(1)中所述的水洗时间控制在10分钟以内。
其中，步骤(2)中其原料按质量份包括：天然橡胶80-100份，丁苯橡胶0-20份，硬脂酸2份，氧化锌15-20份，古马隆树脂5份，改性短切碳纤维5-10份，高耐磨炭黑30-50份，半补强炭黑15-25份，白炭黑10-15份，双-[γ-(三乙氧基硅烷)丙基]四硫化物0.5份，防老剂2-4份，1,3-双(柠糠酰亚胺甲基)苯0.5-1.5份，硫磺2.5-2.8份，DTDM(二硫化二吗啡啉)0.5-0.8份，促进剂0.6-1.0份。上述配合剂中除硫磺与促进剂外，橡胶聚合物与其他配合剂在常规密炼机中进行，然后在开炼设备上制备最终的混炼胶。
优选地，步骤(2)中其原料按质量份包括：天然橡胶80份，丁苯橡胶20份，硬脂酸2份，氧化锌15份，古马隆树脂5份，改性短切碳纤维5-8份，高耐磨炭黑30-50份，半补强炭黑20份，白炭黑10份，双-[γ-(三乙氧基硅烷)丙基]四硫化物0.5份，防老剂2.5份，1,3-双(柠糠酰亚胺甲基)苯1.0份，硫磺2.8份，DTDM 0.5份，促进剂DM(二硫苯并噻唑)0.2份，次磺酰胺类促进剂0.6份。
优选地，步骤(2)中丁苯橡胶为溶聚丁苯橡胶。
优选地，步骤(2)中高耐磨炭黑为N330。
优选地，步骤(2)中硫磺为不溶性硫磺。
优选地，步骤(2)中次磺酰胺促进剂优选促进剂NS(N-叔丁基-2-苯骈噻唑次磺酰胺)。
有益效果
(1)本发明提供的基于改性碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料，其与金属粘接试样的180°剥离强度均大于10kN/m，优于短切碳纤维直接添加的实心轮橡胶与金属的粘接强度。
(2)本发明提供的基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料，与现有技术相比，在保持橡胶材料力学性能及承载性能的前提下，提高了特种车辆实心轮橡胶的弹性与热稳定性，而且同时改善了实心轮橡胶与金属表面的粘接稳定性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明加以说明，但不构成对本发明的任何限制。以下实施例采用的原料配比均为质量份。
实施例一
基于改性短切碳纤维的实心轮橡胶材料，其组成原料的质量份为：泰国3#烟胶80份，溶聚丁苯橡胶20份，硬脂酸2份，氧化锌15份，改性短切碳纤维5份，N330炭黑50份，半补强炭黑20份，气相法白炭黑10份，防老剂4020 1.5，防老剂RD 1.0份，硫磺2.8份，促进剂DM0.2份，促进剂NS 0.6份，1,3-双(柠糠酰亚胺甲基)苯1.0份，双-[γ-(三乙氧基硅烷)丙基]四硫化物0.5份，DTDM 0.5份。其中改性短切碳纤维制备方法：首先将12份短切碳纤维用30份丙烯酸浸润，加入4份氧化锌包覆浸润的短切碳纤维并放置24小时以上；然后水洗至PH＝7，水洗时间29分钟，在70℃烘箱中干燥至恒重。
制备工艺：配方中除硫磺与促进剂外，橡胶聚合物与其他配合剂在常规密炼机中进行，然后在开炼设备上制备混炼胶。
180°剥离试样的准备：首先将金属的粘接面进行喷砂，用丙酮脱脂和清洗，然后在金属粘接面用毛刷涂开姆洛克205，晾置30分钟后，再在金属粘接面处涂开姆洛克220胶粘剂，晾置30分钟后待用。
试样硫化：硫化条件为150℃、15MPa、30分钟。其中，将涂有胶粘剂的金属片与同样尺寸的混炼胶胶条放入模腔中，热硫化粘接制备180°剥离试样。
该实施例所制备的实心轮橡胶材料性能：拉伸强度16.29MPa，伸长率360％，邵氏硬度80HA，100％定伸强度5.92MPa，回弹41％，180°剥离强度10.64kN/m。
对比例一：上述配方中短切碳纤维为直接添加，其他配方与制备工艺同实施例一。其橡胶材料性能为：拉伸强度16.24MPa，伸长率343％，邵氏硬度80HA，100％定伸强度5.44MPa，回弹43％，180°剥离强度9.57kN/m。
该实施例与短切碳纤维直接填充的对比例一相比，180°剥离强度得到改善，能够满足实心轮橡胶与金属的粘接性能要求，回弹性略低，其他力学性能相当。
实施例二
基于改性短切碳纤维的实心轮橡胶材料，其组成原料的质量份为：马来西亚1#烟胶80份，溶聚丁苯橡胶20份，硬脂酸2份，氧化锌15份，改性短切碳纤维8份，N330炭黑40份，半补强炭黑20份，沉淀法白炭黑10份，防老剂4010NA1.5，防老剂RD1.0份，不溶性硫磺2.8份，促进剂DM 0.2份，促进剂NS 0.6份，1,3-双(柠糠酰亚胺甲基)苯1.0份，双-[γ-(三乙氧基硅烷)丙基]四硫化物0.5份，DTDM 0.5份。其中改性短切碳纤维制备方法：首先将12质量份短切碳纤维用30质量份丙烯酸浸润，加入2质量份氧化锌包覆浸润的短切碳纤维并放置24小时以上；然后水洗至PH＝7，水洗10分钟，晾置干燥即可。
混炼工艺及性能检测试样的制备同实施例一。
该实施例所制备的实心轮橡胶材料性能：拉伸强度19.1MPa，伸长率421％，邵氏硬度79HA，100％定伸强度5.3MPa，回弹45％。
对比例二：不加改性短切碳纤维，N330炭黑50份，其他同实施例二。其性能为：拉伸强度19.0MPa，伸长率420％，邵氏硬度80HA，100％定伸强度4.0MPa，回弹27％。
该实施例与现有实心轮橡胶(对比例二)相比，100％定伸强度与回弹性得到明显提高。
实施例三
基于改性短切碳纤维的实心轮橡胶材料，其组成原料的质量份为：马来西亚1#烟胶80份，溶聚丁苯橡胶20份，硬脂酸2份，氧化锌15份，改性短切碳纤维8份，N330炭黑30份，半补强炭黑20份，沉淀法白炭黑10份，防老剂4010NA1.5，防老剂RD1.0份，硫磺2.8份，促进剂DM 0.2份，促进剂NS 0.6份，1,3-双(柠糠酰亚胺甲基)苯1.0份，双-[γ-(三乙氧基硅烷)丙基]四硫化物0.5份，DTDM 0.5份。其中改性短切碳纤维制备方法：首先将12质量份短切碳纤维用30质量份丙烯酸浸润，加入2质量份氧化锌包覆浸润的短切碳纤维并放置24小时以上；然后水洗至PH＝7，水洗时间15分钟，在100℃烘箱中干燥至恒重。
混炼工艺及性能检测试样的制备同实施例一。
该实施例所制备的实心轮橡胶材料性能：拉伸强度18.8MPa，伸长率408％，邵氏硬度78HA，100％定伸强度4.9MPa，回弹49％。
该实施例与对比例二的实心轮橡胶相比，100％定伸强度与回弹性得到明显提高。

Claims (6)

1.一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料的制备方法，其特征在于橡胶材料含有改性短切碳纤维，并涉及与金属构件的粘接性能，具体包括如下步骤：
(1)改性短切碳纤维的制备
(2)特种车辆实心轮橡胶材料制备
其中，步骤(1)中所述的制备方法为首先将短切碳纤维用丙烯酸浸润，用量根据实际操作将碳纤维完全浸润即可，加入氧化锌包覆浸润的短切碳纤维，氧化锌与短切碳纤维的比例为2/12～4/12重量比，放置24小时以上；然后水洗至pH＝7，水洗时间控制在30分钟以内，晾置或在常温～100℃烘箱中干燥直至恒重；步骤(2)中其原料按质量份包括：天然橡胶80-100份，丁苯橡胶0-20份，硬脂酸2份，氧化锌15-20份，改性短切碳纤维5-10份，高耐磨炭黑30-50份，半补强炭黑15-25份，白炭黑10-15份，双-[γ-(三乙氧基硅烷)丙基]四硫化物0.5份，防老剂2-4份，1,3-双(柠糠酰亚胺甲基)苯0.5-1.5份，硫磺2.5-2.8份，DTDM(二硫化二吗啡啉)0.5-0.8份，促进剂0.6-1.0份。
2.如权利要求1所述的一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料的制备方法，步骤(1)中所述的水洗时间控制在10分钟以内。
3.如权利要求1所述的一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料的制备方法，步骤(2)中丁苯橡胶优选溶聚丁苯橡胶。
4.如权利要求1所述的一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料的制备方法，步骤(2)中高耐磨炭黑优选N330炭黑。
5.如权利要求1所述的一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料的制备方法，步骤(2)中硫磺优选不溶性硫磺。
6.如权利要求1所述的一种基于改性短切碳纤维的特种车辆实心轮橡胶材料的制备方法，步骤(2)中促进剂优选促进剂NS(N-叔丁基-2-苯骈噻唑次磺酰胺)。
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