CN110669267A - 一种纳米增强耐磨复合橡胶材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其组成包括100重量份的橡胶、20‑30重量份的改性针状硅酸盐、3‑8重量份多壁碳纳米管和配合剂；步骤如下：将双辊开炼机的辊距调至最小，加入橡胶，然后缓慢加入改性针状硅酸盐和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入配合剂得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。将本发明的纳米增强耐磨复合橡胶外覆于金属芯材制备的胶辊，不仅具有良好的耐磨性能，而且具有很好力学性能，能够显著延长胶辊的使用寿命。

Description

一种纳米增强耐磨复合橡胶材料
技术领域
本发明涉及高分子功能材料领域，具体涉及一种纳米增强耐磨复合橡胶材料。
背景技术
目前，橡胶使用的传统补强剂是炭黑和白炭黑，其中炭黑的补强效果最好，因其着色能力强，一般只适用于黑色橡胶制品。白炭黑的补强效果仅次于炭黑，超过其它任何一种白色补强剂，但炭黑和白炭黑的价格较高，因此开发利用以丰富的天然矿物为原料的补强剂对聚合物改性越来越重要，如针状硅酸盐/合物复合材料的研究已成为一个热点。
针状硅酸盐是一种内含纳米短纤维的天然层链状含水富镁铝硅酸盐矿物，典型的如凹凸棒石或坡缕石，其颜色随杂质的含量而呈白色、浅灰色、浅绿色或浅褐色。我国凹凸棒石的储量达7亿，价格仅为200-300元/t，其晶体结构为：每个单元晶层有上下两条硅氧四面体双链晶片，中间夹7个铝氧八面体，每个单元层相互间通过氧连接成孔道式的晶体结构，形成纤维状的单晶。单晶是最基本的结构单元，单晶的直径大多为10-30nm，长度约为100-2000nm，单晶紧密的平行排列成为晶束，晶束又相互聚集而形成微米级颗粒。凹凸棒石具有特殊的结构和性质，其使用价值很高，素有“千面用土”之称。
橡胶的耐磨性直接影响到其使用寿命，方法一是在橡胶中添加纤维或颗粒，方法二是在橡胶表面涂覆自润滑涂膜。方法一中纤维或颗粒的性质尤为重要，选择不同的纤维或填料直接影响橡胶的各项性能。
为了谋求耐磨橡胶的高耐磨性，提高橡胶中的填料本身的性能，以及分散性和橡胶的融合性变得尤为重要。通常情况下，都通过表面活性剂、或偶联剂对其表面进行处理来增加填料的分散性，但该方法对于提高材料的耐磨性能具有一定的局限性。
发明内容
要解决的技术问题：为解决以上问题，橡胶的大部分性能会随分散性的下降而降低，特别是拉伸强度、动态疲劳和滞后生热性能等，因此，对填料进行改性，增加分散性等效果也尤为重要。本发明鉴于上述实际情况而进行的，其目的在于提供一种纳米增强耐磨复合橡胶材料。
技术方案：
一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其组成包括100重量份的橡胶、20-30重量份的改性针状硅酸盐和3-8重量份多壁碳纳米管。
还包括配合剂。
进一步的，所述橡胶为丁腈橡胶或氯丁橡胶。
进一步的，所述针状硅酸盐为凹凸棒石或坡缕石。
进一步的，所述改性针状硅酸盐的制备方法为：
第一步：针状硅酸盐的纯化；
第二步：采用冲击式粉碎机粉碎；
第三步：采用流化床气流磨粉进行进一步粉碎；
第四步：将粉碎后的针状硅酸盐置于pH为4的H2O2溶液中，在温度85℃下处理3h；
第五步：于常温条件下，处理的针状硅酸盐浸泡于3wt%聚乙烯亚胺水溶液中搅拌；
第六步：用水洗去未反应的聚乙烯亚胺，放入105℃烘箱中干燥6h得改性针状硅酸盐。
进一步的，所述多壁碳纳米管的粒径为400-700。
进一步的，所述改性针状硅酸盐的粒径为20-300nm。
进一步的，所述配合剂为1-1.5重量份硬脂酸、2-3重量份硫黄、1-2重量份促进剂DM和0.5-1重量份促进剂CZ。
所述纳米增强耐磨复合橡胶材料的制备方法，步骤如下：
将双辊开炼机的辊距调至最小，加入橡胶，然后缓慢加入改性针状硅酸盐和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入配合剂得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。
纳米增强耐磨复合橡胶用于胶辊的制备，所制备的胶辊具有高耐磨性和力学性能。
有益效果：
1. 本发明中的针状硅酸盐颗粒经过粉碎纯化，能够充分解离成许多纳米纤维。
2. 本发明中纯化后的针状硅酸盐经聚乙烯亚胺改性后，分散性变佳，减少了复合材料中的应力集中，增加了界面区域的结合面积。
3. 本发明中聚乙烯亚胺分子中拥有大量伯胺、仲胺和叔胺基，能够与针状硅酸盐纤维表面发生反应，减少针状硅酸盐之间的团聚，使其在橡胶中分散更为均匀，与橡胶之间的结合更为紧密。
具体实施方式
实施例1
本发明所述的纳米增强耐磨复合橡胶材料，其组成包括100重量份的丁腈橡胶、20份的改性凹凸棒石、3份多壁碳纳米管和1重量份硬脂酸、2重量份硫黄、1重量份促进剂DM和0.5重量份促进剂CZ，其中，多壁碳纳米管的粒径为400-700，改性凹凸棒石的粒径为20-100nm。
改性凹凸棒石的制备方法为：
第一步：凹凸棒石的纯化；
第二步：采用冲击式粉碎机粉碎；
第三步：采用流化床气流磨粉进行进一步粉碎；
第四步：将粉碎后的凹凸棒石置于pH为4的H2O2溶液中，在温度85℃下处理3h；
第五步：于常温条件下，处理的凹凸棒石浸泡于3wt%聚乙烯亚胺水溶液中搅拌；
第六步：用水洗去未反应的聚乙烯亚胺，放入105℃烘箱中干燥6h得改性凹凸棒石。
纳米增强耐磨复合橡胶材料的制备方法，步骤如下：
将双辊开炼机的辊距调至最小，加入丁腈橡胶，然后缓慢加入改性凹凸棒石和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入1重量份硬脂酸、2重量份硫黄、1重量份促进剂DM和0.5重量份促进剂CZ得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。
实施例2
本发明所述的纳米增强耐磨复合橡胶材料，其组成包括100重量份的丁腈橡胶、25份的改性坡缕石、5份多壁碳纳米管和1.2重量份硬脂酸、2.5重量份硫黄、1.5重量份促进剂DM和0.7重量份促进剂CZ，其中，多壁碳纳米管的粒径为400-700，改性坡缕石的粒径为20-200nm。
改性坡缕石的制备方法为：
第一步：坡缕石的纯化；
第二步：采用冲击式粉碎机粉碎；
第三步：采用流化床气流磨粉进行进一步粉碎；
第四步：将粉碎后的坡缕石置于pH为4的H2O2溶液中，在温度85℃下处理3h；
第五步：于常温条件下，处理的坡缕石浸泡于3wt%聚乙烯亚胺水溶液中搅拌；
第六步：用水洗去未反应的聚乙烯亚胺，放入105℃烘箱中干燥6h得改性坡缕石。
所述纳米增强耐磨复合橡胶材料的制备方法，步骤如下：
将双辊开炼机的辊距调至最小，加入丁腈橡胶，然后缓慢加入改性坡缕石和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入配合剂得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。
实施例3
本发明所述的纳米增强耐磨复合橡胶材料，其组成包括100重量份的氯丁橡胶、25份的改性凹凸棒石、6份多壁碳纳米管和1.3重量份硬脂酸、2.5重量份硫黄、1.5重量份促进剂DM和0.8重量份促进剂CZ，其中，多壁碳纳米管的粒径为400-700，改性凹凸棒石的粒径为20-200nm。
改性凹凸棒石的制备方法为：
第一步：凹凸棒石的纯化；
第二步：采用冲击式粉碎机粉碎；
第三步：采用流化床气流磨粉进行进一步粉碎；
第四步：将粉碎后的凹凸棒石置于pH为4的H2O2溶液中，在温度85℃下处理3h；
第五步：于常温条件下，处理的凹凸棒石浸泡于3wt%聚乙烯亚胺水溶液中搅拌；
第六步：用水洗去未反应的聚乙烯亚胺，放入105℃烘箱中干燥6h得改性凹凸棒石。
所述纳米增强耐磨复合橡胶材料的制备方法，步骤如下：
将双辊开炼机的辊距调至最小，加入氯丁橡胶，然后缓慢加入改性凹凸棒石和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入配合剂得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。
实施例4
本发明所述的纳米增强耐磨复合橡胶材料，其组成包括100重量份的氯丁橡胶、30份的改性坡缕石、8份多壁碳纳米管和1.5重量份硬脂酸、3重量份硫黄、2重量份促进剂DM和1重量份促进剂CZ，其中，多壁碳纳米管的粒径为400-700，改性坡缕石的粒径为50-300nm。
改性坡缕石的制备方法为：
第一步：坡缕石的纯化；
第二步：采用冲击式粉碎机粉碎；
第三步：采用流化床气流磨粉进行进一步粉碎；
第四步：将粉碎后的坡缕石置于pH为4的H2O2溶液中，在温度85℃下处理3h；
第五步：于常温条件下，处理的坡缕石浸泡于3wt%聚乙烯亚胺水溶液中搅拌；
第六步：用水洗去未反应的聚乙烯亚胺，放入105℃烘箱中干燥6h得改性坡缕石。
所述纳米增强耐磨复合橡胶材料的制备方法，步骤如下：
将双辊开炼机的辊距调至最小，加入氯丁橡胶，然后缓慢加入改性坡缕石和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入配合剂得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。
对比例1
本实施例与实施例1的区别在于采用未改性凹凸棒石。具体地说是：
一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其组成包括100重量份的丁腈橡胶、20份的凹凸棒石、3份多壁碳纳米管和1重量份硬脂酸、2重量份硫黄、1重量份促进剂DM和0.5重量份促进剂CZ，其中，多壁碳纳米管的粒径为400-700，凹凸棒石的粒径为10-100μm。
纳米增强耐磨复合橡胶材料的制备方法，步骤如下：
将双辊开炼机的辊距调至最小，加入丁腈橡胶，然后缓慢加入凹凸棒石和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入1重量份硬脂酸、2重量份硫黄、1重量份促进剂DM和0.5重量份促进剂CZ得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。
各项物理机械性能均按相应国家标准进行测试。
采用GB/T 1689-2014 硫化橡胶 耐磨性能的测定（用阿克隆磨耗试验机）测定其磨损量。
表1 一种纳米增强耐磨复合橡胶材料的性能指标
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1
磨损量（g） 0.214 0.187 0.195 0.183 0.168
拉伸强度（MPa） 23.9 27.1 23.6 24.8 20.65
撕裂强度（kN·m<sup>-1</sup>） 58.9 59.7 49.5 51.1 57.2
断裂伸长率（%） 290 298 239 242 278
从表1中可以看出，针状硅酸盐经过纯化和改性，能够充分解离成许多纳米纤维，纯化后的针状硅酸盐经聚乙烯亚胺改性后，分散性变佳，减少了复合材料中的应力集中，增加了界面区域的结合面积，其磨损性能和各项力学性能得到了明显的提升。

Claims (9)

1.一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：其组成包括100重量份的橡胶、20-30重量份的改性针状硅酸盐和3-8重量份多壁碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：还包括配合剂。
3.根据权利要求1所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：所述橡胶为丁腈橡胶或氯丁橡胶。
4.根据权利要求1所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：所述针状硅酸盐为凹凸棒石或坡缕石。
5.根据权利要求1所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：所述改性针状硅酸盐的制备方法为：
第一步：针状硅酸盐的纯化；
第二步：采用冲击式粉碎机粉碎；
第三步：采用流化床气流磨粉进行进一步粉碎；
第四步：将粉碎后的针状硅酸盐置于pH为4的H2O2溶液中，在温度85℃下处理3h；
第五步：于常温条件下，处理的针状硅酸盐浸泡于3wt%聚乙烯亚胺水溶液中搅拌；
第六步：用水洗去未反应的聚乙烯亚胺，放入105℃烘箱中干燥6h得改性针状硅酸盐。
6.根据权利要求1所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：所述多壁碳纳米管的粒径为400-700。
7.根据权利要求5所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：所述改性针状硅酸盐的粒径为20-300nm。
8.根据权利要求2所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料，其特征在于：所述配合剂为1-1.5重量份硬脂酸、2-3重量份硫黄、1-2重量份促进剂DM和0.5-1重量份促进剂CZ。
9.根据权利要求1所述的一种纳米增强耐磨复合橡胶材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
将双辊开炼机的辊距调至最小，加入橡胶，然后缓慢加入改性针状硅酸盐和多壁碳纳米管，混合均匀后，再依次加入配合剂得到混合物，在平板硫化机上硫化进行硫化，硫化温度为160℃。
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