CN112898649A - 一种基于纳米材料改性的高性能复合材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米材料改性的高性能复合材料及其制备工艺，属于复合材料领域，一种基于纳米材料改性的高性能复合材料及其制备工艺，包括有基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂，基体橡胶包括有丁苯橡胶、顺丁橡胶和天然橡胶，纳米填料混合物包括有白炭黑纳米粉、纳米黏土片和碳纳米管，偶联剂为硅烷偶联剂，可以通过使基体橡胶和纳米填料混合物进行混合，有效提高橡胶的耐寒性和韧性，使其在制作轮胎使用时，能够有效避免轮胎在冬天受冷变硬和出现裂纹的现象，提高轮胎的使用寿命和用车安全，并且通过偶联剂能够有效提高纳米填料混合物在基体橡胶内分散的均匀度，提高基体橡胶的改性效果，有效提高材料性能。

Description

一种基于纳米材料改性的高性能复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及复合材料领域，更具体地说，涉及一种基于纳米材料改性的高性能复合材料及其制备工艺。

背景技术

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维增强复合材料，将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成；②夹层复合材料，由性质不同的表面材料和芯材组合而成；③细粒复合材料，将硬质细粒均匀分布于基体中；④混杂复合材料，由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。

高性能复合材料与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。高性能复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属。

随着现代科技的不断发展，纳米技术逐渐被大家所熟识，使用纳米材料对复合材料进行改进，能够有效提高复合材料的性能。但是现有的用于制作汽车轮胎的复合橡胶材料，由于其橡胶的本身性质，使轮胎在冬天较低温度下使用时，受低温影响使轮胎变硬或者使轮胎出现裂纹，影响轮胎的使用寿命和用车安全，故针对现有制作轮胎用的复合橡胶材料需要做进一步的改进。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于纳米材料改性的高性能复合材料及其制备工艺，可以通过使基体橡胶和纳米填料混合物进行混合，有效提高橡胶的耐寒性和韧性，使其在制作轮胎使用时，能够有效避免轮胎在冬天受冷变硬和出现裂纹的现象，提高轮胎的使用寿命和用车安全，并且通过偶联剂能够有效提高纳米填料混合物在基体橡胶内分散的均匀度，提高基体橡胶的改性效果，有效提高材料性能。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种基于纳米材料改性的高性能复合材料，包括有基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂，所述基体橡胶包括有丁苯橡胶、顺丁橡胶和天然橡胶，所述纳米填料混合物包括有白炭黑纳米粉、纳米黏土片和碳纳米管，所述偶联剂为硅烷偶联剂。通过使基体橡胶和纳米填料混合物进行混合，有效提高橡胶的耐寒性和韧性，使其在制作轮胎使用时，能够有效避免轮胎在冬天受冷变硬和出现裂纹的现象，提高轮胎的使用寿命和用车安全，并且通过偶联剂能够有效提高纳米填料混合物在基体橡胶内分散的均匀度，提高基体橡胶的改性效果，有效提高材料性能。

另外，本发明还公开了一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，包括如下步骤：

S1.预混合：将基体橡胶和纳米填料混合物分别进行混合；

S2.预处理：在混合完成的纳米填料混合物内添加一定比例的偶联剂，并混合均匀，制得改性填料；

S3.混炼设备预处理：预先对混炼设备进行升温，升温完成后进行保温；

S4.基体处理：将基体橡胶全部加入至混炼设备内，并对其进行搅拌升温；

S5.填料改性：基体橡胶升温完成后，分批次向混炼设备内加入改性填料；

S6.高温混炼：在改性填料完全加入后，对混炼设备进行升温，再保温混炼；

S7.冷却成型：混炼完成后，冷却排出，并通过成型设备进行成型存储。通过密封混炼的方式将纳米填料混合物与基体橡胶进行混合改性，基体橡胶经纳米增强后，在保持橡胶基本特性的同时，增加了纳米填料的特性，有效提高橡胶轮胎的抗寒性、韧性、导热性和吸湿性，并且通过预先混入偶联剂的方式进一步提高纳米填料的分散程度，提高高性能复合材料的制备效率，降低制备难度，有效提高制备高性能复合材料的经济效益。

进一步的，所述混炼设备预处理中，将混炼设备温度上升至80-110℃。

进一步的，所述高温混炼中，将混炼设备温度上升至140-170℃，并保温混炼30-40min。通过高温混炼的方式，提高基体橡胶和纳米填料混合物的分子间的运动速度，提高混炼的均匀性，进而提高混炼的效率和高性能复合材料的质量。

进一步的，所述混炼设备包括有机体，所述机体上端固定安装有调速电机，所述调速电机下端连接有输出轴，所述输出轴下端延伸至机体内部，并固定连接有转板，所述转板下端转动连接有多个搅拌杆，所述搅拌杆外端连接有多个重力自传组件。通过调速电机带动搅拌杆在机体内转动，对基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂进行搅拌混合，提高混炼效率，促进纳米填料混合物的分散，并且重力自传组件在搅拌杆上产生转动，减少混炼过程中气泡的产生，降低高性能复合材料出现气孔的概率，提高高性能复合材料的使用性能。

进一步的，所述重力自传组件包括有陀螺转套，所述搅拌杆外端通过轴承转动连接有陀螺转套，且陀螺转套上下两端均固定连接有轴承护套，所述轴承护套与搅拌杆连接处均连接有密封圈，所述陀螺转套外端固定连接有多个重力翅片，且多个陀螺转套均匀分布在陀螺转套的半周侧面，所述重力翅片内部固定连接有多个同极磁球。在陀螺转套外端的半周侧面上连接重力翅片，有效更改陀螺转套重心位置，便于陀螺转套在机体内工作时进行转动，辅助陀螺转套产生转动力。

进一步的，所述重力翅片倾斜设置在陀螺转套外端，且重力翅片两侧边均设有刃口。通过倾斜设置的重力翅片增加其混炼材料的接触面积，对混炼材料进行分割打散，提高混合材料之间填充间隙的产生，促进其的运动效果，降低复合难度，使纳米填料混合物能够有效与基体橡胶通过偶联剂作用进行反应，提高混炼效率。

进一步的，所述陀螺转套的材质为轻质合金，所述重力翅片的材质为顺磁性磁性材料。在重力翅片之间转动至相互靠近时，受同极磁球的同极磁性的排斥，使得陀螺转套能够在搅拌杆上转动，从而使得多个搅拌杆上端的重力自传组件进行无规则转动，增加混料材料之间局部转动效果，在有效提高混料效率的同时，破坏混料材料间产生的气泡鼓包，使气体能够有效排除，提高混料的效果。

进一步的，所述机体内部固定连接有位于转板上侧的辅助板，所述辅助板内开设有通孔，且通孔内壁固定连接有均匀分布的轮齿。

进一步的，所述搅拌杆上端延伸至转板上侧，并固定连接有传动齿轮，所述传动齿轮通过轮齿与辅助板啮合连接。通过传动齿轮与辅助板相配合，使得搅拌杆早受输出轴的带动产生转动的同时，使搅拌杆能够产生自转动，进而提高搅拌杆和重力自传组件对机体内部材料搅拌的效率，有效提高搅拌杆和重力自传组件的功能性和实用性。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案通过使基体橡胶和纳米填料混合物进行混合，有效提高橡胶的耐寒性和韧性，使其在制作轮胎使用时，能够有效避免轮胎在冬天受冷变硬和出现裂纹的现象，提高轮胎的使用寿命和用车安全，并且通过偶联剂能够有效提高纳米填料混合物在基体橡胶内分散的均匀度，提高基体橡胶的改性效果，有效提高材料性能。

(2)通过密封混炼的方式将纳米填料混合物与基体橡胶进行混合改性，基体橡胶经纳米增强后，在保持橡胶基本特性的同时，增加了纳米填料的特性，有效提高橡胶轮胎的抗寒性、韧性、导热性和吸湿性，并且通过预先混入偶联剂的方式进一步提高纳米填料的分散程度，提高高性能复合材料的制备效率，降低制备难度，有效提高制备高性能复合材料的经济效益。

(3)通过高温混炼的方式，提高基体橡胶和纳米填料混合物的分子间的运动速度，提高混炼的均匀性，进而提高混炼的效率和高性能复合材料的质量。

(4)通过调速电机带动搅拌杆在机体内转动，对基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂进行搅拌混合，提高混炼效率，促进纳米填料混合物的分散，并且重力自传组件在搅拌杆上产生转动，减少混炼过程中气泡的产生，降低高性能复合材料出现气孔的概率，提高高性能复合材料的使用性能。

(5)通过倾斜设置的重力翅片增加其混炼材料的接触面积，对混炼材料进行分割打散，提高混合材料之间填充间隙的产生，促进其的运动效果，降低复合难度，使纳米填料混合物能够有效与基体橡胶通过偶联剂作用进行反应，提高混炼效率。

(6)在重力翅片之间转动至相互靠近时，受同极磁球的同极磁性的排斥，使得陀螺转套能够在搅拌杆上转动，从而使得多个搅拌杆上端的重力自传组件进行无规则转动，增加混料材料之间局部转动效果，在有效提高混料效率的同时，破坏混料材料间产生的气泡鼓包，使气体能够有效排除，提高混料的效果。

(7)通过传动齿轮与辅助板相配合，使得搅拌杆早受输出轴的带动产生转动的同时，使搅拌杆能够产生自转动，进而提高搅拌杆和重力自传组件对机体内部材料搅拌的效率，有效提高搅拌杆和重力自传组件的功能性和实用性。

(8)在陀螺转套外端的半周侧面上连接重力翅片，有效更改陀螺转套重心位置，便于陀螺转套在机体内工作时进行转动，辅助陀螺转套产生转动力。

附图说明

图1为本发明的高性能复合材料横截面主视结构示意图；

图2为本发明的工艺流程结构示意图；

图3为本发明的混炼设备内部主视结构示意图；

图4为本发明的图1中A处结构示意图；

图5为本发明的现有技术中基体橡胶横截面主视结构示意图；

图6为本发明的辅助板和搅拌杆配合轴测结构示意图；

图7为本发明的辅助板俯视结构示意图；

图8为本发明的辅助板和调速电机配合轴测结构示意图；

图9为本发明的搅拌杆和重力自传组件配合轴测结构示意图；

图10为本发明的重力自传组件剖视轴测结构示意图。

图中标号说明：

1机体、2辅助板、3调速电机、301输出轴、302转板、4搅拌杆、401传动齿轮、5重力自传组件、501陀螺转套、502重力翅片、503同极磁球。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-10，一种基于纳米材料改性的高性能复合材料，包括有基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂，基体橡胶包括有丁苯橡胶、顺丁橡胶和天然橡胶，纳米填料混合物包括有白炭黑纳米粉、纳米黏土片和碳纳米管，偶联剂为硅烷偶联剂。通过使基体橡胶和纳米填料混合物进行混合，有效提高橡胶的耐寒性和韧性，使其在制作轮胎使用时，能够有效避免轮胎在冬天受冷变硬和出现裂纹的现象，提高轮胎的使用寿命和用车安全，并且通过偶联剂能够有效提高纳米填料混合物在基体橡胶内分散的均匀度，提高基体橡胶的改性效果，有效提高材料性能。

白炭黑纳米粉具有较低的滚动阻力，而且在湿路面和雪地路面有较好黏附性能；纳米黏土片具有优异的阻断裂纹扩展的能力，可以大幅度地提高橡胶材料的抗疲劳破坏和抗切割性能；碳纳米管是利用其弹性变形性，储存可回复的弹性势能，从而起到一个纳米弹簧的作用，既保证了增强作用，又通过回复弹性的提高降低了动态滞后损失和生热，从而增加了橡胶材料的弹性，提高其的散热性。

实施例2：

请参阅图1-10，其中与实施例1中相同或相应的部件采用与实施例1相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1的区别点。该实施例2与实施例1的不同之处在于：请参阅图2，一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，包括如下步骤：

S1.预混合：将基体橡胶和纳米填料混合物分别进行混合；

S2.预处理：在混合完成的纳米填料混合物内添加一定比例的偶联剂，并混合均匀，制得改性填料；

S3.混炼设备预处理：预先对混炼设备进行升温，升温完成后进行保温；

S4.基体处理：将基体橡胶全部加入至混炼设备内，并对其进行搅拌升温；

S5.填料改性：基体橡胶升温完成后，分批次向混炼设备内加入改性填料；

S6.高温混炼：在改性填料完全加入后，对混炼设备进行升温，再保温混炼；

S7.冷却成型：混炼完成后，冷却排出，并通过成型设备进行成型存储。通过密封混炼的方式将纳米填料混合物与基体橡胶进行混合改性，基体橡胶经纳米增强后，在保持橡胶基本特性的同时，增加了纳米填料的特性，有效提高橡胶轮胎的抗寒性、韧性、导热性和吸湿性，并且通过预先混入偶联剂的方式进一步提高纳米填料的分散程度，提高高性能复合材料的制备效率，降低制备难度，有效提高制备高性能复合材料的经济效益。

请参阅图2，混炼设备预处理中，将混炼设备温度上升至80-110℃。

请参阅图2，高温混炼中，将混炼设备温度上升至140-170℃，并保温混炼30-40min。通过高温混炼的方式，提高基体橡胶和纳米填料混合物的分子间的运动速度，提高混炼的均匀性，进而提高混炼的效率和高性能复合材料的质量。

实施例3：

请参阅图1-10，其中与实施例1中相同或相应的部件采用与实施例1相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例1的区别点。该实施例3与实施例1的不同之处在于：请参阅图3，混炼设备包括有机体1，机体1上端固定安装有调速电机3，调速电机3为现有技术，本领域技术人员可根据实际需要选择合适型号的调速电机3，本说明书中不做赘述，调速电机3下端连接有输出轴301，输出轴301下端延伸至机体1内部，并固定连接有转板302，转板302下端转动连接有多个搅拌杆4，搅拌杆4外端连接有多个重力自传组件5。通过调速电机3带动搅拌杆4在机体1内转动，对基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂进行搅拌混合，提高混炼效率，促进纳米填料混合物的分散，并且重力自传组件5在搅拌杆4上产生转动，减少混炼过程中气泡的产生，降低高性能复合材料出现气孔的概率，提高高性能复合材料的使用性能。

请参阅图9，重力自传组件5包括有陀螺转套501，搅拌杆4外端通过轴承转动连接有陀螺转套501，且陀螺转套501上下两端均固定连接有轴承护套，轴承护套与搅拌杆4连接处均连接有密封圈，陀螺转套501外端固定连接有多个重力翅片502，且多个陀螺转套501均匀分布在陀螺转套501的半周侧面，重力翅片502内部固定连接有多个同极磁球503。在陀螺转套501外端的半周侧面上连接重力翅片502，有效更改陀螺转套501重心位置，便于陀螺转套501在机体1内工作时进行转动，辅助陀螺转套501产生转动力。

请参阅图10，重力翅片502倾斜设置在陀螺转套501外端，且重力翅片502两侧边均设有刃口。通过倾斜设置的重力翅片502增加其混炼材料的接触面积，对混炼材料进行分割打散，提高混合材料之间填充间隙的产生，促进其的运动效果，降低复合难度，使纳米填料混合物能够有效与基体橡胶通过偶联剂作用进行反应，提高混炼效率。

请参阅图10，陀螺转套501的材质为轻质合金，重力翅片502的材质为顺磁性磁性材料。在重力翅片502之间转动至相互靠近时，受同极磁球503的同极磁性的排斥，使得陀螺转套501能够在搅拌杆4上转动，从而使得多个搅拌杆4上端的重力自传组件5进行无规则转动，增加混料材料之间局部转动效果，在有效提高混料效率的同时，破坏混料材料间产生的气泡鼓包，使气体能够有效排除，提高混料的效果。

请参阅图8，机体1内部固定连接有位于转板302上侧的辅助板2，辅助板2内开设有通孔，且通孔内壁固定连接有均匀分布的轮齿。

请参阅图6，搅拌杆4上端延伸至转板302上侧，并固定连接有传动齿轮401，传动齿轮401通过轮齿与辅助板2啮合连接。通过传动齿轮401与辅助板2相配合，使得搅拌杆4早受输出轴301的带动产生转动的同时，使搅拌杆4能够产生自转动，进而提高搅拌杆4和重力自传组件5对机体1内部材料搅拌的效率，有效提高搅拌杆4和重力自传组件5的功能性和实用性。

请参阅图1-10，使用方法：按照工艺流程将基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂投入机体1内部进行混炼，启动调速电机3，使输出轴301带动转板302转动，转板302带动搅拌杆4转动，使搅拌杆4带动重力自传组件5以输出轴301为转动中心转动，对机体1内的材料进行搅拌，在搅拌杆4转动的同时，传动齿轮401与辅助板2的通孔上的轮齿啮合，传动齿轮401带动搅拌杆4产生自传，使重力自传组件5与搅拌杆4共同转动，并且在陀螺转套501产生转动时，重力翅片502不断相互靠近，受同极磁球503的同极相斥力，推动陀螺转套501在搅拌杆4上转动，并且受混料材料的阻力和偏移的重心力影响，使得陀螺转套501带动同极磁球503做无规则转动，提高搅拌效率，并且重力翅片502能够将混料材料内差生的气泡鼓包进行划破，气体被不同高度的重力翅片502进行释放，使其不断移动中机体1的上侧，有效释放混料材料内部的气体，减少气泡的产生，提高高性能复合材料的质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于纳米材料改性的高性能复合材料，其特征在于：包括有基体橡胶、纳米填料混合物和偶联剂，所述基体橡胶包括有丁苯橡胶、顺丁橡胶和天然橡胶，所述纳米填料混合物包括有白炭黑纳米粉、纳米黏土片和碳纳米管，所述偶联剂为硅烷偶联剂。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

S1.预混合：将基体橡胶和纳米填料混合物分别进行混合；

S2.预处理：在混合完成的纳米填料混合物内添加一定比例的偶联剂，并混合均匀，制得改性填料；

S3.混炼设备预处理：预先对混炼设备进行升温，升温完成后进行保温；

S4.基体处理：将基体橡胶全部加入至混炼设备内，并对其进行搅拌升温；

S5.填料改性：基体橡胶升温完成后，分批次向混炼设备内加入改性填料；

S6.高温混炼：在改性填料完全加入后，对混炼设备进行升温，再保温混炼；

S7.冷却成型：混炼完成后，冷却排出，并通过成型设备进行成型存储。

3.根据权利要求2所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述混炼设备预处理中，将混炼设备温度上升至80-110℃。

4.根据权利要求2所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述高温混炼中，将混炼设备温度上升至140-170℃，并保温混炼30-40min。

5.根据权利要求2所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述混炼设备包括有机体(1)，所述机体(1)上端固定安装有调速电机(3)，所述调速电机(3)下端连接有输出轴(301)，所述输出轴(301)下端延伸至机体(1)内部，并固定连接有转板(302)，所述转板(302)下端转动连接有多个搅拌杆(4)，所述搅拌杆(4)外端连接有多个重力自传组件(5)。

6.根据权利要求5所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述重力自传组件(5)包括有陀螺转套(501)，所述搅拌杆(4)外端通过轴承转动连接有陀螺转套(501)，且陀螺转套(501)上下两端均固定连接有轴承护套，所述轴承护套与搅拌杆(4)连接处均连接有密封圈，所述陀螺转套(501)外端固定连接有多个重力翅片(502)，且多个陀螺转套(501)均匀分布在陀螺转套(501)的半周侧面，所述重力翅片(502)内部固定连接有多个同极磁球(503)。

7.根据权利要求6所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述重力翅片(502)倾斜设置在陀螺转套(501)外端，且重力翅片(502)两侧边均设有刃口。

8.根据权利要求6所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述陀螺转套(501)的材质为轻质合金，所述重力翅片(502)的材质为顺磁性磁性材料。

9.根据权利要求5所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述机体(1)内部固定连接有位于转板(302)上侧的辅助板(2)，所述辅助板(2)内开设有通孔，且通孔内壁固定连接有均匀分布的轮齿。

10.根据权利要求9所述的一种基于纳米材料改性的高性能复合材料的制备工艺，其特征在于：所述搅拌杆(4)上端延伸至转板(302)上侧，并固定连接有传动齿轮(401)，所述传动齿轮(401)通过轮齿与辅助板(2)啮合连接。

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