CN114381035A - 一种活化剂改性橡胶用无机填料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于活化剂负载型填料制备技术领域，涉及一种活化剂改性橡胶用无机填料及其制备方法，将环保无害的阴离子表面活性剂作为活化剂，将表面含有羟基的极性填料作为载体，并对活化剂和极性填料进行预处理以减弱填料的亲水性，提高填料在橡胶基体中的分散等级，预处理后的疏水性填料的界面接触和活化指数增大，使用磁力搅拌器改性制备活化剂负载型橡胶用疏水性填料，与直接加入的极性填料和活化剂制备的橡胶复合材料相比，含有活化剂负载型疏水填料的橡胶复合材料的耐老化性能提升、滚动阻力降低，硫化时间缩短，在橡胶填料相容性增强和橡胶制品性能提高的同时，解决了极性填料与橡胶的相容性差，以及混炼过程中吃料困难的问题，降低了能耗。

Description

一种活化剂改性橡胶用无机填料及其制备方法

技术领域：

本发明属于活化剂负载型填料制备技术领域，具体涉及一种活化剂改性橡胶用无机填料及其制备方法，通过对活化剂和无机填料进行预处理，提高无机填料的疏水性，改善极性填料与非极性橡胶的相容性，解决橡胶混炼加工过程中吃料的和漏料问题。

背景技术：

在橡胶工业中，炭黑是常用的补强剂，使用炭黑对复合材料进行填充和补强可以有效提高复合材料的性能。但是存在以下问题：炭黑以石油、天然气等不可再生资源作为原料，制备过程中能耗大，带来非常严重的粉尘污染现象，危害环境和人体健康；并且全炭黑补强体系的胎面胶配方的弊端：高生热、低抗湿滑、抗撕裂低及高静电，已经使其无法满足高性能轮胎的使用需求。

除炭黑以外，有助于自然资源的开发和环境保护的白炭黑、硅灰石、蒙脱土、高岭土等也经常用作橡胶的补强材料。经白炭黑补强的橡胶具有滞后损失小、滚动阻力低、抗湿滑性能优异等特点。硅灰石、蒙脱土、高岭土都属于清洁环保、价格低廉的天然工业矿物，自身具备耐化学腐蚀性、热稳定性、绝缘性等特点，能够提高聚合物复合材料的拉伸强度、耐磨性、硬度等性能。然而白炭黑、硅灰石、蒙脱土、高岭土等填料表面都存在大量的羟基，表现出较强的极性和亲水性，使填料之间的团聚现象严重，与橡胶的相容性极差，导致填料对橡胶的补强性差、橡胶制品的耐磨性能低，直接影响到橡胶复合材料的加工性能和使用性能。所以，需要使用活化剂对填料进行表面化学改性，提高含羟基填料的疏水性和表面性质，提高填料与聚合物之间的亲合力。

表面化学改性法用到的改性剂主要包括偶联剂、不饱和有机酸、表面活性剂等。偶联剂属于有机溶剂，在使用过程中会释放大量的VOCs气体，危害身体健康和污染环境；表面活性剂是一种能使溶液的表面张力显著下降的物质，无毒，其分子结构一端为亲水基团，另一端为疏水基团，主要分为离子型表面活性剂(包括阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂)、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂等。其中，阴离子表面活性剂在水中可以电离出阴离子，化学性质稳定，具有良好的乳化、发泡、分散能力，主要包括脂肪酸盐、磺酸盐等。阴离子表面活性剂是一种环保无害的活化剂，适应可持续发展的要求，具有广阔的应用市场。

例如，中国专利201410724712.8公开的改性白炭黑的制备方法包括:在具备升温和粉碎功能且能将白炭黑粒径研磨至纳米级的研磨机中,加入白炭黑,烃类有机溶剂,在研磨的同时加入含硫硅烷偶联剂,于50-150℃下反应0.25-8小时,使含硫硅烷偶联剂接枝于白炭黑表面,得到改性白炭黑；另一种改性白炭黑的制备方法包括:在具有粉碎功能的研磨机中,加入白炭黑,干法研磨白炭黑后,加入烃类有机溶剂,将含硫硅烷偶联剂加入白炭黑浆液中,于50-150℃下研磨改性0.25-8小时,使含硫硅烷偶联剂接枝于白炭黑表面,得到改性白炭黑。中国专利201910017171.8公开的一种改性白炭黑在并用橡胶中的应用，包括以下步骤：(1)将填料促进剂改性的白炭黑和并用橡胶混合均匀，然后加入促进剂、硬脂酸、氧化锌和硫磺混炼，得到混合材料；(2)将步骤(1)所得的混合材料进行硫化成型，得到并用橡胶复合材料。

因此，基于环保无害的阴离子表面活性剂，研发一种活化剂改性橡胶用无机填料及其制备方法，以制备填料分散好、加工性能好、耐老化、低生热的橡胶复合材料，具有非常重要的现实指导意义。

发明内容：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种活化剂改性橡胶用无机填料及其制备方法，在绿色环保无污染的前提下，增强橡胶填料的相容性，提高橡胶制品的性能。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料包括活化剂和无机填料，活化剂的质量占比为1-30％，优选1-15％，无机填料的质量占比为60-99％，优选75-99％；

其中，活化剂为阴离子表面活性剂，包括脂肪酸盐类和磺酸盐类：

脂肪酸盐类包括油酸钠、油酸钾、油酸铵、硬脂酸钠、硬脂酸钾、硬脂酸铵、软脂酸钠、软脂酸钾、软脂酸铵、十八烷酸钠、十八烷酸钾和十八烷酸铵中的一种或几种；

磺酸盐类包括十二烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钠和甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠中的一种或几种；

无机填料为含羟基的无机填料，包括橡胶补强用的白炭黑、硅灰石、蒙脱土、高岭土、滑石粉、云母粉和纤维素中的一种或几种。

本发明涉及的活化剂改性橡胶用无机填料能够制备橡胶复合材料，具体工艺过程为：将100质量份橡胶，5-80质量份活化剂改性橡胶用无机填料，1-5质量份硬脂酸，1-5质量份氧化锌，1-4质量份促进剂和1-3质量份硫磺混合，采用常规的干法混炼工艺制备成橡胶复合材料。

本发明涉及的橡胶包括天然橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、顺丁橡胶和三元乙丙橡胶中的一种或几种；促进剂包括二苯胍(促进剂DPG)、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺(促进剂CZ)、N-叔丁基苯并噻唑次磺酰胺(促进剂DZ)和N，N-二环己基-2-2苯骈噻唑次磺酰胺(促进剂NS)中的一种或几种。

本发明涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法的具体过程为：

首先，分别将活化剂和无机填料与水配置成质量百分比浓度为5-50％和5-30％的活化剂水溶液和填料水溶液；

然后，在室温下，将活化剂水溶液和填料水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为45-100℃，转速为600-1300r/min的条件下，搅拌15-45分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体转移置于温度为45-100℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到活化剂负载型疏水填料，即为活化剂改性橡胶用无机填料。

本发明与现有技术相比，将环保无害的阴离子表面活性剂作为活化剂，将表面含有羟基的极性填料作为载体，使用磁力搅拌器，在一定的温度、时间和转速下，改性制备活化剂负载型橡胶用疏水性填料，提高了极性填料的贮存稳定性和表面状态的稳定性，减少了填料的自身吸附团聚现象以及对胶料的延迟硫化现象，有利于提高混炼加工过程中的吃料效率，减少粉尘污染，降低生产能耗，解决了极性填料与橡胶的相容性差，导致的填料分散不均、生热高、制品性能差，以及混炼过程中吃料困难的问题，通过活化剂负载型疏水填料制备的橡胶组合物，橡胶基体中填料的分散程度较高、填料的补强效果更好，具备优异的可加工性能、物理机械性能、耐老化性能和动态机械性能。

附图说明：

图1为本发明涉及的对比例1和2与实施例3的傅里叶变换红外光谱对比示意图。

图2为本发明涉及的实施例1-4与对比例1的界面接触角对比示意图。

图3为本发明涉及的实施例1-4与对比例1和2的老化后的性能保持率对比示意图。

图4为本发明涉及的实施例6与对比例3的老化后的性能保持率对比示意图。

图5为本发明涉及的实施例8与对比例4的老化后的性能保持率对比示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法的具体过程为：

首先，将98质量份、白度为85、粒径为6.71μm的硅灰石与水配置成质量百分比浓度为20％的硅灰石水溶液，将2质量份油酸钠溶解于水配置成质量百分比浓度为10％的油酸钠水溶液；

然后，将硅灰石水溶液与油酸钠水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为70℃，转速为650r/min的条件下，搅拌30分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体置于温度为70℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到油酸钠负载型硅灰石。

实施例2：

本实施例涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法的具体过程为：

首先，将96.1质量份、白度为85、粒径为6.71μm的硅灰石与水配置成质量百分比浓度为20％的硅灰石水溶液，将3.9质量份油酸钠溶解于水配置成质量百分比浓度为10％的油酸钠水溶液；

然后，将硅灰石水溶液与油酸钠水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为70℃，转速为650r/min的条件下，搅拌30分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体置于温度为70℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到油酸钠负载型硅灰石。

实施例3：

本实施例涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法的具体过程为：

首先，将92.6质量份、白度为85、粒径为6.71μm的硅灰石与水配置成质量百分比浓度为20％的硅灰石水溶液，将7.4质量份油酸钠溶解于水配置成质量百分比浓度为10％的油酸钠水溶液；

然后，将硅灰石水溶液与油酸钠水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为70℃，转速为650r/min的条件下，搅拌30分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体置于温度为70℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到油酸钠负载型硅灰石。

实施例4：

本实施例涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法的具体过程为：

首先，将89.3质量份、白度为85、粒径为6.71μm的硅灰石与水配置成质量百分比浓度为20％的硅灰石水溶液，将10.7质量份油酸钠溶解于水配置成质量百分比浓度为10％的油酸钠水溶液；

然后，将硅灰石水溶液与油酸钠水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为70℃，转速为650r/min的条件下，搅拌30分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体置于温度为70℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到油酸钠负载型硅灰石。

实施例5：

本实施例涉及实施例1-4制备的活化剂改性橡胶用无机填料的性能测试，引入对比例1和2进行对比分析和说明：

实施例1-4涉及的油酸钠负载型硅灰石制备天然橡胶复合材料的具体工艺过程为：

将100质量份天然橡胶投入密炼机中，落下上顶栓，1分20秒后，打开上顶栓，加入25质量份油酸钠负载型硅灰石、2质量份氧化锌、2质量份硬脂酸和1.3质量份促进剂DPG，落下上顶栓；

每隔一分钟提栓清扫漏胶，混炼时间为6分30秒，排胶后经开炼机下片冷却；

再经开炼机薄通，胶料包辊后，加入1.2质量份促进剂CZ和1质量份硫磺，吃料完毕后，打卷与打三角包交替进行，各四次，下片；

通过无转子硫化仪测得胶料的硫化特性，设定硫化温度为150℃，硫化压力为11MPa，硫化时间为1.3×t90，得到天然橡胶复合材料。

对比例1为不含活化剂的硅灰石，将上述油酸钠负载型硅灰石替换为25质量份硅灰石，采用相同的工艺过程制备天然橡胶复合材料。

对比例2为与油酸钠混合的硅灰石，将上述油酸钠负载型硅灰石替换为23.2质量份硅灰石和1.8质量份油酸钠的不做任何预处理的混合物，采用相同的工艺过程制备天然橡胶复合材料。

对实施例1-4以及对比例1和2制备的天然干胶和硫化胶分别进行测试，结果如图1-3和下表所示：

图1显示：对比例2和实施例3在2850cm^-1处和2928cm^-1处出现了新的特征峰，表示甲基—CH₃中C-H的伸缩振动峰，证明油酸钠吸附在了硅灰石表面，并且，实施例3此处的峰强度比对比例2大；与对比例1和对比例2相比，实施例3在3423cm^-1处羟基的伸缩振动峰的强度明显减弱，表明经预处理后填料的羟基数量减少，填料疏水性提高，这是由于油酸钠自身含有的羧基与硅灰石表面的羟基发生酯化反应，同时，羧基与羟基之间形成一定的氢键相互作用，实施例3使活化剂与极性填料之间的化学键合作用加强，羟基数量大量减少，改善了硅灰石填料与非极性橡胶的相容性，进而提高了橡胶复合材料的综合性能。

界面接触角越小，硅灰石的有机化程度越小；图2显示：对比例1的界面接触角接近于0°，说明硅灰石具有较强的亲水性，改性硅灰石的接触角均得到了提升，填料的疏水性明显增强，有利于缓解填料的吸附团聚现象。

活化指数表征填料的改性效果，活化指数越大，填料的有机化改性效果越好；T90为胶料的正硫化时间，硫化时间越短，硫化速率越快；ΔG’表征胶料中填料的分散情况，ΔG’越小，Payne效应越弱，填料在胶料中的分散情况越好；tanδ@60℃表征轮胎的滚动阻力，tanδ@60℃越低，滚动阻力越小；老化系数是橡胶老化后的抗张积系数与老化前的抗张积系数的比值，老化系数越大，橡胶耐老化性能越好；从表中可以看出：对比例1的活化指数为0，表现出较强的极性，实施例1-4的硅灰石的活化指数都得到了较大的提升，其中，实施例2的活化指数达到了52％；在实施例1-4中，随着油酸钠在硅灰石上负载量的增多，硫化时间缩短，节约了能耗；与对比例1相比，实施例2的拉伸强度提升了11.0％，抗张积系数提高了17.4％，综合力学性能最优。

结合图3和上表和图3，可以看出：与对比例1和对比例2相比，实施例1-4的老化系数均有所增大，老化后的拉伸强度、断裂伸长率和抗张积系数的性能保持率增加，耐老化性能变好，其中，实施例4的老化系数最大，达到了0.85，较对比例1提升了39.3％；实施例1-4的ΔG′均比对比例1和2低，表明实施例1-4可以有效提高填料在橡胶基体中的分散等级；实施例1-4的tanδ@60℃均小于对比例1和2的tanδ@60℃，与对比例1相比，实施例4的tanδ@60℃降低了37.9％，表明实施例4用于轮胎胎面时的滚动阻力更小，生热降低，有利于保证轮胎的使用性能并延长使用寿命。

实施例6：

本实施例涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法的具体过程为：

首先，将92.6质量份、比表面积为200m²/g的白炭黑与水配置成质量百分比浓度为25％的白炭黑水溶液，将7.4质量份硬脂酸钾溶解于水配置成质量百分比浓度为20％的油酸钠水溶液；

然后，将硅灰石水溶液与油酸钠水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为70℃，转速为700r/min的条件下，搅拌30分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体置于温度为70℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到硬脂酸钾负载型白炭黑。

实施例7：

本实施例涉及实施例6制备的活化剂改性橡胶用无机填料的性能测试，引入对比例3进行对比分析和说明：

实施例6涉及的硬脂酸钾负载型白炭黑制备天然橡胶复合材料的具体工艺过程为：

将100质量份天然橡胶投入密炼机中，落下上顶栓，1分20秒后，打开上顶栓，加入25质量份硬脂酸钾负载型白炭黑、2质量份氧化锌、2质量份硬脂酸和1.3质量份促进剂DPG，落下上顶栓；

每隔一分钟提栓清扫漏胶，混炼时间为6分30秒，排胶后经开炼机下片冷却；

再经开炼机薄通，胶料包辊后，加入0.6质量份促进剂CZ和2质量份硫磺，吃料完毕后，打卷与打三角包交替进行，各四次，下片；

通过无转子硫化仪测得胶料的硫化特性，设定硫化温度为150℃，硫化压力为11MPa，硫化时间为1.3×t90，得到天然橡胶复合材料。

对比例3为与硬脂酸钾混合的白炭黑，将上述硬脂酸钾负载型白炭黑替换为23.2质量份白炭黑和1.8质量份硬脂酸钾的不做任何预处理的混合物，采用相同的工艺过程制备天然橡胶复合材料。

对实施例6以及对比例3制备的天然干胶和硫化胶分别进行测试，结果如图4和下表所示：

从表中可以看出：与对比例3相比，实施例6的硫化时间缩短，这是由于实施例6提供的硬脂酸钾负载型白炭黑的自身团聚现象较少，分散更加均匀，填料对硫化促进剂的吸附作用较弱，因此硫化速率提高，有利于节约能耗；实施例6的拉伸强度、断裂伸长率和抗张积系数均高于对比例3，拉伸强度和抗张积系数分别提升了15.3％和6.5％；实施例6的ΔG’小于对比例3的ΔG’，表明实施例6的填料的分散情况更好。

图4显示：与对比例3相比，实施例6的老化系数增大，老化后的拉伸强度、断裂伸长率和抗张积系数的性能保持率增加，耐老化性能变好，使胶料抵抗热空气及氧气的破坏能力增强。

实施例8：

本实施例涉及的一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法的具体过程为：

首先，将92.6质量份的高岭土与水配置成质量百分比浓度为20％的高岭土水溶液，将7.4质量份油酸钾溶解于水配置成质量百分比浓度为10％的油酸钾水溶液；

然后，将高岭土水溶液与油酸钾水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为70℃，转速为700r/min的条件下，搅拌30分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体置于温度为70℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到油酸钾负载型高岭土。

实施例9：

本实施例涉及实施例8制备的活化剂改性橡胶用无机填料的性能测试，引入对比例4进行对比分析和说明：

实施例8涉及的油酸钾负载型高岭土制备天然橡胶复合材料的具体工艺过程为：

将100质量份天然橡胶投入密炼机中，落下上顶栓，1分20秒后，打开上顶栓，加入25质量份油酸钾负载型高岭土、2质量份氧化锌、2质量份硬脂酸和1.3质量份促进剂DPG，落下上顶栓；

每隔一分钟提栓清扫漏胶，混炼时间为6分30秒，排胶后经开炼机下片冷却；

再经开炼机薄通，胶料包辊后，加入0.6质量份促进剂CZ、1.2质量份促进剂DZ和2质量份硫磺，吃料完毕后，打卷与打三角包交替进行，各四次，下片；

通过无转子硫化仪测得胶料的硫化特性，设定硫化温度为150℃，硫化压力为11MPa，硫化时间为1.3×t90，得到天然橡胶复合材料。

对比例4为与油酸钾混合的高岭土，将上述油酸钾负载型高岭土替换为23.2质量份高岭土和1.8质量份油酸钾的不做任何预处理的混合物，采用相同的工艺过程制备天然橡胶复合材料。

分别对实施例8以及对比例4制备的天然干胶和硫化胶进行测试，结果如图5和下表所示：

从表中可以看出：实施例8的ΔG’小于对比例4的ΔG’，表明未经改性的高岭土由于其表面所含羟基数量较多，与橡胶的亲合力差，存在较多的填料团聚现象，经过油酸钾改性处理后的高岭土的亲水性减弱，从而高岭土在橡胶基体中得到较好的分散，因此实施例8的填料的分散情况更好；实施例8的拉伸强度和抗张积系数均高于对比例4，分别提升了9.2％和8.8％，表明被活化完全的高岭土与橡胶的相互作用及界面结合作用增强，可以有效地传递应力，因此具备较好的综合力学性能；与对比例4相比，实施例8的老化系数增大，胶料的耐老化性能变好。

Claims (8)

1.一种活化剂改性橡胶用无机填料，其特征在于，包括活化剂和无机填料，活化剂的质量占比为1-30％，无机填料的质量占比为60-99％。

2.根据权利要求1所述的活化剂改性橡胶用无机填料，其特征在于，活化剂的质量占比为1-15％，无机填料的质量占比为75-99％。

3.根据权利要求1或2所述的活化剂改性橡胶用无机填料，其特征在于，活化剂为阴离子表面活性剂，包括脂肪酸盐类和磺酸盐类。

4.根据权利要求1或2所述的活化剂改性橡胶用无机填料，其特征在于，无机填料为含羟基的无机填料，包括橡胶补强用的白炭黑、硅灰石、蒙脱土、高岭土、滑石粉、云母粉和纤维素中的一种或几种。

5.根据权利要求3所述的活化剂改性橡胶用无机填料，其特征在于，脂肪酸盐类包括油酸钠、油酸钾、油酸铵、硬脂酸钠、硬脂酸钾、硬脂酸铵、软脂酸钠、软脂酸钾、软脂酸铵、十八烷酸钠、十八烷酸钾和十八烷酸铵中的一种或几种；磺酸盐类包括十二烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钠和甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠中的一种或几种。

6.根据权利要求1或2所述的活化剂改性橡胶用无机填料，其特征在于，能够制备橡胶复合材料，具体工艺过程为：将100质量份橡胶，5-80质量份活化剂改性橡胶用无机填料，1-5质量份硬脂酸，1-5质量份氧化锌，1-4质量份促进剂和1-3质量份硫磺混合，采用常规的干法混炼工艺制备成橡胶复合材料。

7.根据权利要求6所述的活化剂改性橡胶用无机填料及其制备方法，其特征在于，橡胶包括天然橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、顺丁橡胶和三元乙丙橡胶中的一种或几种；促进剂包括二苯胍、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、N-叔丁基苯并噻唑次磺酰胺和N，N-二环己基-2-2苯骈噻唑次磺酰胺中的一种或几种。

8.一种活化剂改性橡胶用无机填料制备方法，其特征在于，具体过程为：

首先，分别将活化剂和无机填料与水配置成质量百分比浓度为5-50％和5-30％的活化剂水溶液和填料水溶液；

然后，在室温下，将活化剂水溶液和填料水溶液混合，搅拌均匀，置于磁力搅拌器上，在温度为45-100℃，转速为600-1300r/min的条件下，搅拌15-45分钟，进行改性，得到分散体；

最后，将分散体转移置于温度为45-100℃的烘箱内烘干至恒定质量，得到活化剂负载型疏水填料，即为活化剂改性橡胶用无机填料。

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