CN114874497B - 一种环保型橡胶补强剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环保型橡胶补强剂及其制备方法，首先将回收来的废漆渣去除机械杂质后与粉煤灰按照一定比例混合，然后送至高温炉中加热至不低于800℃，维持不少于2小时后自然降温。降至室温后取出，与适量白炭黑和石墨烯高速混合，混合后经球磨机球磨2～4小时，最后过500目筛，得到一种黑色固体粉末。该固体粉末对橡胶具有一定的补强作用，可以用做补强剂。该方法的优点在于将漆渣进行了很好回收利用，且回收工艺环保、简单易行，降低了生产成本，具有很好的发展前景，为漆渣的回收利用提供了一种经济有效的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种环保型橡胶补强剂及其制备方法，属于粉末填充补强剂技术领域。
背景技术
对于一般的合成橡胶和天然橡胶来说，其拉伸强度和定伸应力等都很低，难以制造出具有使用价值的制品。因此，需要进行补强，补强是使橡胶的拉伸强度、撕裂强度、磨耗等同时获得明显提高的作用。常用的补强剂有炭黑、白炭黑和补强树脂等。其中炭黑因其价格低廉，使用最为普遍。但炭黑的生产会带来严重的环境污染问题，应设法降低炭黑的使用。
CN109134932A，橡胶制品补强用改性粉煤灰及其制备方法。其通过配方的改进，使得改性后的粉煤灰表面改性均匀，活化指数高，与橡胶制品结合度高，增加了在橡胶制品中的填充量；同时在改性粉煤灰的制备中对粉煤灰的改性一次完成，并避免了烘干、粉碎等步骤，简化了工艺，提高了效率，同时针对粒径不同进行分别改性，使得表面改性更加均匀，提高了改性粉煤灰的性能。CN109370230A公开一种改性白炭黑补强的硅橡胶绝热材料及其制备方法，是由下述原料制备而成：甲基乙烯基硅橡胶40～60份、甲基乙烯基苯基硅橡胶40～60份、改性白炭黑20～30份、石墨烯3～10份、短切碳纤维10～15份、硫化剂0.5～1.5份。现有技术CN109134932A公开了改性粉煤灰的制备方法，但配方复杂，工艺流程长，对设备和搅拌均有特殊要求，不利于工业化生产。现有技术CN109370230A公开了改性白炭黑的制备方法，采用传统偶联剂进行改性，改性后的白炭黑补强效果一般，需通过与石墨烯和短切碳纤维进行搭配使用，且只能用于硅橡胶体系中，针对性强，不具有普遍性。
为了节省资源，废物回收利用越来越受到重视。随着我国汽车工业的快速发展，汽车油漆的用量逐年增加，随之产生的油漆废渣也不容忽视。在油漆喷涂过程中，手工喷涂至少有40％～60％的过喷漆雾飞散，静电喷涂也会产生10％以上的过喷漆雾，过喷漆雾凝聚下沉形成油漆废渣，汽车行业油漆车间喷涂每辆车产生2.5～5kg漆渣，主要来自中涂漆、色漆、面漆及稀释剂。漆渣的基本成分随所用油漆的种类或成分之不同而有差异。油漆废渣是机械设备涂装、钢构铁件防腐、木器等物件涂装的排放产物，漆渣为HW12类危险废物之一，如果处理不当，将危及人类健康和生态环境。因此危险废物的无害化处理是一个亟待解决的问题，漆渣的无害化回收利用，利国利民。
本发明在现有技术的基础上，从环境保护和资源化利用角度出发，将漆渣用于制作橡胶补强剂，经济效益和社会效益显著。
发明内容
针对现有技术，本发明从环境保护和资源化利用角度，提供了一种环保型橡胶补强剂，及其制备方法。本发明是通过以下技术方案实现的：
一种环保型橡胶补强剂的制备方法，首先将回收回来的废漆渣去除机械杂质后与粉煤灰按照一定比例混合，然后送至高温炉中加热至不低于800℃，维持不少于2小时后自然降温。降至室温后取出，与适量白炭黑和石墨烯高速混合，混合后经球磨机球磨2～4小时，最后过500目筛，得到一种黑色固体粉末。该固体粉末对橡胶具有一定的补强作用，可以用做补强剂。
本发明通过将漆渣与粉煤灰的混合物进行高温碳化，所得的碳化物能够对石墨烯、白炭黑进行包裹起到助分散的作用，有效防止石墨烯、白炭黑等团聚，降低橡胶补强剂在橡胶中的团聚现象，充分发挥各自的补强作用。
本发明还公开了环保型橡胶补强剂各原料的重量份数如下：
漆渣：50～100重量份
粉煤灰：50～100重量份
白炭黑：10～20重量份
石墨烯：1～3重量份。
本发明补强剂通过漆渣、粉煤灰、石墨烯、白炭黑协同作用，在确保橡胶基体材料其他力学性能的同时，能够有效提高橡胶的强度。
所述漆渣为喷漆过程中产生的废渣以及油漆废弃产生的残渣，不受油漆种类的限制，且不需要水洗、烘干和筛分等预处理工序。
所述白炭黑为沉淀法生产的，目数为2000及以上。
所述石墨烯为少层石墨烯或多层石墨烯中的一种，含碳量95％以上。
所述粉煤灰为市售一级粉煤灰，目数为325及以上。
上述补强剂的原料由于在颗粒粒径及形态上存在明显差异：石墨烯为片层结构，纳米级；粉煤灰为粉末状，微米级；白炭黑微结构为球形，纳米级，不同粒径，不同表面形态的固体粉末，其补强机理不同，将上述材料科学搭配在一起可以起到很好的协同作用，相比单一材料补强效果更好。
本发明的橡胶补强剂，取得了以下有益效果：
(1)不受漆渣种类限制，为漆渣的利用提供了一个新的方向，解决了漆渣回收利用的难题，降低生产成本。
(2)可以替代传统炭黑用作橡胶补强，有效降低炭黑生产所带来的环境污染问题。
(3)直接用固体废弃物—漆渣和粉煤灰制备橡胶补强剂，节能、减排，有利于环境保护。且通过将漆渣与粉煤灰的混合物进行高温碳化，所得的碳化物能够对石墨烯、白炭黑进行包裹起到助分散的作用，有效防止石墨烯、白炭黑等团聚，降低橡胶补强剂在橡胶中的团聚现象，充分发挥各自的补强作用。
(4)本发明补强剂原料采用不同形态、不同粒径尺寸的固体粉末，可以从不同角度对橡胶进行补强，优于单一材料的补强效果。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
本发明对试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。
从喷涂的油漆种类上分，漆渣可分为中涂渣、色渣、清漆渣，一般不进行分类处置。也可以按照油漆种类进行分类，如丙烯酸树脂漆渣、聚氨酯树脂漆渣、环氧树脂漆渣、醇酸树脂漆渣等。经试验发现各类漆渣采用本发明的方法均能制备具备补强效果的补强剂，为此，在下述实施例中，如无特别说明，漆渣均为中车沈阳机车车辆有限公司的丙烯酸树脂和聚氨酯树脂混合漆渣(黑色固体粉末)，以此来研究本发明补强剂的补强效果。
所述白炭黑为沉淀法生产的，目数为2000及以上。在下述实施例中，所述白炭黑选购自山东立华新材料有限公司的沉淀白炭黑，目数为2000。
所述石墨烯少层石墨烯或多层石墨烯中的一种，含碳量95％以上。在下述实施例中，所述石墨烯选购自苏州碳丰科技有限公司的多层石墨烯，含碳量95％以上。
所述粉煤灰为市售一级粉煤灰，目数为325及以上。在下述实施例中，粉煤灰的目数均为325。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1制备环保型橡胶补强剂
步骤如下：
(1)原料准备：回收的漆渣，去除肉眼可见的杂质，待用；
(2)高温热解：将除去机械杂质的漆渣与粉煤灰按照50：50比例混合，然后送至高温炉中加热至800℃，维持2小时后自然降温。
(3)球磨和筛分：将步骤(2)所得产物100份与10份白炭黑和1份石墨烯高速混合，混合后经球磨机球磨3小时，最后过500目筛，得到一种黑色固体粉末。该黑色固体粉末即为环保型橡胶补强剂。
实施例2制备环保型橡胶补强剂
步骤如下：
(1)原料准备：回收的漆渣，去除肉眼可见的杂质，待用；
(2)高温热解：将100份除去机械杂质的漆渣与50份粉煤灰混合，然后送至高温炉中加热至800℃，维持2小时后自然降温。
(3)球磨和筛分：将步骤(2)所得产物与15份白炭黑和2份石墨烯高速混合，混合后经球磨机球磨4小时，最后过500目筛，得到一种黑色固体粉末。该黑色固体粉末即为环保型橡胶补强剂。
实施例3制备环保型橡胶补强剂
步骤如下：
(1)原料准备：回收的漆渣，去除肉眼可见的杂质，待用；
(2)高温热解：将50份除去机械杂质的漆渣与100份的粉煤灰混合，然后送至高温炉中加热至800℃，维持2小时后自然降温。
(3)球磨和筛分：将步骤(2)所得产物与20份白炭黑和3份石墨烯高速混合，混合后经球磨机球磨2小时，最后过500目筛，得到一种黑色固体粉末。该黑色固体粉末即为环保型橡胶补强剂。
对比例1
市售炭黑补强剂N330。
对比例2
制备橡胶补强剂，步骤如下：
将50份粉煤灰送至高温炉中加热至800℃，维持2小时后自然降温，降至室温后与10份白炭黑和1份石墨烯高速混合，混合后经球磨机球磨3小时，最后过500目筛，过筛产物与50份漆渣共同构成橡胶补强剂。
应用例
将50重量份的实施例1-3与对比例1-2的补强剂分别加入胶料配方(重量份)制备橡胶：天然橡胶100份，氧化锌3～4份，硬脂酸2～3份，硫磺1.5～2份，偶联剂3～4份，防老剂2～3份。将橡胶混炼按照GB/T15340-2008进行，制备的混炼胶于平板硫化机150～155℃之间硫化15min。硫化性能按GB/T6038-2006进行测试，拉伸性能按GB/T528-1998进行测试，撕裂强度按GB/T529-2008进行测试。测试结果如下表：
| 试样 | 拉伸强度/MPa | 断裂伸长率/％ | 300％定伸应力/MPa | 撕裂强度/KN.m-1 |
| 实施例1 | 20.37 | 623 | 2.98 | 18.3 |
| 实施例2 | 21.53 | 611 | 3.05 | 19.1 |
| 实施例3 | 22.79 | 609 | 3.21 | 20.8 |
| 对比例1 | 19.75 | 602 | 2.92 | 17.9 |
| 对比例2 | 19.15 | 597 | 2.87 | 16.5 |
由上表可以看出，采用本发明制备的补强剂具有较好的补强效果，略优于市售炭黑补强剂N330，且本发明补强剂采用漆渣废弃物成本低廉，完全可以用于替代现有产品。同时可以看出，漆渣未经高温碳化处理的补强剂补强效果较差。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。
Claims (4)
1.一种环保型橡胶补强剂的制备方法，其特征在于：将漆渣去除机械杂质后与粉煤灰混合，然后送至高温炉中加热至800℃，维持不少于2小时后自然降温；降至室温后取出，与白炭黑和石墨烯高速混合，混合后经球磨机球磨2~4小时，最后过筛，制备得到橡胶补强剂；
所述橡胶补强剂各原料的重量份数如下：漆渣：50~100重量份；粉煤灰：50~100重量份；白炭黑：10~20重量份；石墨烯：1~3重量份；
所述漆渣为喷漆过程中产生的废渣或油漆废弃产生的残渣，使用时未经水洗、烘干、筛分的预处理工序；
所述漆渣为丙烯酸树脂漆渣、聚氨酯树脂漆渣、环氧树脂漆渣、醇酸树脂漆渣中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的环保型橡胶补强剂的制备方法，其特征在于：所述白炭黑为沉淀法生产的，目数为2000及以上。
3.根据权利要求1所述的环保型橡胶补强剂的制备方法，其特征在于：所述石墨烯为少层石墨烯或多层石墨烯中的一种，含碳量95%以上。
4.根据权利要求1所述的环保型橡胶补强剂的制备方法，其特征在于：所述过筛筛网500目。
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