CN114874513B - 一种橡胶生物机大底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种橡胶生物机大底及其制备方法。本发明研制的产品中，包括以下重量份数的原料：200‑250份基础橡胶，30‑50份汽爆植物纤维原料，3‑5份润滑剂，0.2‑0.5份纳米氧化锌；所述汽爆植物纤维原料表面包覆有PVDF树脂；所述PVDF树脂的用量为所述汽爆植物纤维原料质量的20‑30％；所述汽爆植物纤维原料是由植物纤维原料经蒸汽爆破后，与溶解有PVDF树脂的溶剂喷雾干燥得到。在制备汽爆植物纤维原料时，将植物纤维原料用水浸泡后，转入汽爆罐中，加热加压后，泄压汽爆，干燥，得汽爆碎渣；将汽爆碎渣、汽爆碎渣质量20‑30％的PVDF树脂，以及PVDF树脂质量5‑8倍的溶剂，先将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，再加入汽爆碎渣，经喷雾干燥，得包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料。

Description

一种橡胶生物机大底及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域。更具体地，涉及一种橡胶生物机大底及其制备方法。

背景技术

伴随着经济的发展，环境问题的突出，生物质原料资源化利用已经成为世界各国的研究热点。淀粉、纤维素、木质素、蛋白质等主要生物质材料在橡胶行业中的应用研究已见成效。生物质材料加入橡胶中能起到良好的补强作用，复合物硫化性能、物理力学性能、热学性能等均能达到橡胶制品的要求，同时还可提升其生物降解性。生物质材料在橡胶中的应用有着巨大的研究价值。

植物纤维原料作橡胶填料既能提升橡胶强度性质又能变废为宝，减少污染，产生巨大经济效益。在橡胶中添加植物纤维原料可以增加橡胶的交联密度从而使复合材料的强度、硬度、耐磨性得到改善，同时增加植物纤维原料的用量可大幅度减少复合材料的生产成本，因而极具现实意义。但这方面的研究尚在探索阶段，如何通过植物纤维原料的预处理增强其与橡胶基体的结合能力从而提升复合材料的强度和可加工性能将是下一阶段的研究重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有橡胶生物机大底材料中，在植物纤维原料的利用方面不够成熟，难以改善其加工性能，并且添加后产品的综合力学性能无法得到进一步突破的缺陷和不足，提供一种橡胶生物机大底及其制备方法。

本发明的目的是提供一种橡胶生物机大底。

本发明另一目的是提供一种橡胶生物机大底的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种橡胶生物机大底，包括以下重量份数的原料：

200-250份基础橡胶，30-50份汽爆植物纤维原料，3-5份润滑剂，0.2-0.5份纳米氧化锌；

所述汽爆植物纤维原料表面包覆有PVDF树脂；

所述PVDF树脂的用量为所述汽爆植物纤维原料质量的20-30％；

所述汽爆植物纤维原料是由植物纤维原料经蒸汽爆破后，与溶解有PVDF树脂的溶剂喷雾干燥得到。

进一步的，所述基础橡胶选自天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶中的任意一种。

进一步的，所述润滑剂选自硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸镁中的任意一种。

进一步的，所述植物纤维原料选自小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆、米糠、茶叶渣中的任意一种或多种的组合。

进一步的，所述PVDF树脂层中，分散有粒径分布范围为1-500nm的纳米氧化铝颗粒；所述纳米氧化铝颗粒的用量为所述PVDF树脂质量的5-10％。

一种橡胶生物机大底的制备方法，具体制备步骤包括：

汽爆植物纤维原料的制备：

将植物纤维原料用水浸泡后，转入汽爆罐中，加热加压后，泄压汽爆，干燥，得汽爆碎渣；

准备汽爆碎渣、汽爆碎渣质量20-30％的PVDF树脂，以及PVDF树脂质量5-8倍的溶剂，先将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，再加入汽爆碎渣，经喷雾干燥，得包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料；溶剂选用可溶解PVDF的N-甲基吡咯烷酮；

产品的制备：

按重量份数计，依次取200-250份基础橡胶，30-50份包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料，3-5份润滑剂，0.2-0.5份纳米氧化锌，5-10份硫磺，塑炼，薄通下片，硫化成型，即得产品。

进一步的，所述具体制备步骤还包括：

将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，加入PVDF树脂质量5-10％的纳米氧化铝颗粒。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明技术方案首先利用蒸汽爆破对植物纤维原料进行细化和活化处理，再次基础上，以PVDF的溶液进行喷雾干燥，在该过程中，首先，由于蒸汽爆破的作用，使得植物纤维发生初步的降解活化，在喷雾干燥过程中，其暴露出的活性极性官能团可以由于氢键作用力而相互吸引，从而引起细化的秸秆纤维在喷雾干燥的诱导下卷曲，再配合干燥过程中，PVDF的强大粘结力，将卷曲后的秸秆纤维定型；将上述原材料加入到橡胶生物机大底中，一方面，在加工过程中，由于PVDF是热塑性树脂，其可以在橡胶加工过程中部分软化熔融，从而协助与基体橡胶相容性一般的植物纤维原料在体系内部的均匀分布；另一方面，PVDF可以作为媒介，在橡胶发生剧烈形变过程中，将应力向卷曲的植物纤维传递，利用植物纤维自身的卷曲提供一定的变形量，避免植物纤维直接被拉断，随着应力进一步增大或释放，植物纤维被拉直，提供了相当的力学性能贡献，避免大底局部撕裂；同时，由于PVDF的存在，可以使得被拉升后的植物纤维在橡胶作用下，最大程度的回弹至初始卷曲状态，持久提供较好的力学性能贡献；

(2)本发明进一步的在PVDF树脂中引入少量纳米氧化铝颗粒，并且选用粒径分布范围较宽的颗粒，这是由于，在上述添加量范围内，采用该粒径分布范围的氧化铝颗粒，可以在橡胶大底剧烈摩擦或其他情况下，局部过热时，可以有效将热量通过氧化铝在PVDF层中的分散，将热量向外界传递散失，避免热量在体系内部的积聚引起PVDF的软化迁移，或老化，从而导致产品综合力学性能衰减。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

将植物纤维原料用水于室温条件下持续浸泡3h后，转移至汽爆罐中，于温度为160℃，压力为2.8MPa条件下，保温保压处理1h后，开启汽爆罐，瞬间泄压至常压，完成植物纤维原料的蒸汽爆破处理，收集爆破料，并转入烘箱中，于温度为100℃条件下干燥至恒重，得汽爆碎渣；

准备汽爆碎渣、汽爆碎渣质量20％的PVDF树脂，以及PVDF树脂质量5倍的溶剂N-甲基吡咯烷酮，先将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，再加入PVDF树脂质量5％的纳米氧化铝颗粒，随后加入汽爆碎渣，用搅拌器以200r/min转速搅拌混合4h后，转入喷雾干燥器中，于进料速率为500g/min，进风温度为130℃，出风温度为70℃条件下，喷雾干燥，得包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料；

按重量份数计，依次取200份基础橡胶，30份包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料，3份润滑剂，0.2份纳米氧化锌，5份硫磺，先将基础橡胶和包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料于炼胶机上进行炼胶，直至包辊后，再加入润滑剂、纳米氧化锌和硫磺，薄通下片，于平板硫化机上硫化成型，出料，冷却，即得产品；

所述基础橡胶选自天然橡胶；

所述润滑剂选自硬脂酸钙；

所述植物纤维原料是由小麦秸秆和米糠按质量比为1：3混合而成；

所述纳米氧化铝颗粒为粒径分布范围为1-500nm的纳米氧化铝颗粒。

实施例2

将植物纤维原料用水于室温条件下持续浸泡4h后，转移至汽爆罐中，于温度为170℃，压力为3.2MPa条件下，保温保压处理1.5h后，开启汽爆罐，瞬间泄压至常压，完成植物纤维原料的蒸汽爆破处理，收集爆破料，并转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，得汽爆碎渣；

准备汽爆碎渣、汽爆碎渣质量25％的PVDF树脂，以及PVDF树脂质量7倍的溶剂N-甲基吡咯烷酮，先将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，再加入PVDF树脂质量8％的纳米氧化铝颗粒，随后加入汽爆碎渣，用搅拌器以300r/min转速搅拌混合5h后，转入喷雾干燥器中，于进料速率为600g/min，进风温度为140℃，出风温度为72℃条件下，喷雾干燥，得包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料；

按重量份数计，依次取220份基础橡胶，40份包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料，4份润滑剂，0.3份纳米氧化锌，8份硫磺，先将基础橡胶和包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料于炼胶机上进行炼胶，直至包辊后，再加入润滑剂、纳米氧化锌和硫磺，薄通下片，于平板硫化机上硫化成型，出料，冷却，即得产品；

所述基础橡胶选自顺丁橡胶；

所述润滑剂选自硬脂酸锌；

所述植物纤维原料是由水稻秸秆、米糠和茶叶渣按质量比为1：2：1混合而成；

所述纳米氧化铝颗粒为粒径分布范围为1-500nm的纳米氧化铝颗粒。

实施例3

将植物纤维原料用水于室温条件下持续浸泡5h后，转移至汽爆罐中，于温度为180℃，压力为3.5MPa条件下，保温保压处理2h后，开启汽爆罐，瞬间泄压至常压，完成植物纤维原料的蒸汽爆破处理，收集爆破料，并转入烘箱中，于温度为110℃条件下干燥至恒重，得汽爆碎渣；

准备汽爆碎渣、汽爆碎渣质量30％的PVDF树脂，以及PVDF树脂质量8倍的溶剂N-甲基吡咯烷酮，先将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，再加入PVDF树脂质量10％的纳米氧化铝颗粒，随后加入汽爆碎渣，用搅拌器以400r/min转速搅拌混合6h后，转入喷雾干燥器中，于进料速率为800g/min，进风温度为150℃，出风温度为75℃条件下，喷雾干燥，得包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料；

按重量份数计，依次取250份基础橡胶，50份包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料，5份润滑剂，0.5份纳米氧化锌，10份硫磺，先将基础橡胶和包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料于炼胶机上进行炼胶，直至包辊后，再加入润滑剂、纳米氧化锌和硫磺，薄通下片，于平板硫化机上硫化成型，出料，冷却，即得产品；

所述基础橡胶选自丁苯橡胶；

所述润滑剂选自硬脂酸镁；

所述植物纤维原料是由玉米秸秆和茶叶渣按质量比为1：2混合而成；

所述纳米氧化铝颗粒为粒径分布范围为1-500nm的纳米氧化铝颗粒。

实施例4

本实施例和实施例1相比，区别在于：未添加纳米氧化铝颗粒，其余条件保持不变。

实施例5

本实施例和实施例1相比，区别在于：纳米氧化铝颗粒选用粒径分布范围为50-100nm的纳米氧化铝颗粒。

对比例1

本对比例和实施例1相比，区别在于：未添加PVDF，其余条件保持不变。

对比例2

将植物纤维原料用水于室温条件下持续浸泡3h后，转移至汽爆罐中，于温度为160℃，压力为2.8MPa条件下，保温保压处理1h后，开启汽爆罐，瞬间泄压至常压，完成植物纤维原料的蒸汽爆破处理，收集爆破料，并转入烘箱中，于温度为100℃条件下干燥至恒重，得汽爆碎渣；

准备汽爆碎渣、汽爆碎渣质量20％的羧甲基纤维素钠，以及羧甲基纤维素钠质量5倍的溶剂(水)，先将羧甲基纤维素钠和溶剂混合溶解后，再加入羧甲基纤维素钠质量5％的纳米氧化铝颗粒，随后加入汽爆碎渣，用搅拌器以200r/min转速搅拌混合4h后，转入喷雾干燥器中，于进料速率为500g/min，进风温度为130℃，出风温度为70℃条件下，喷雾干燥，得包覆有羧甲基纤维素钠的汽爆植物纤维原料；

按重量份数计，依次取200份基础橡胶，30份包覆有羧甲基纤维素钠的汽爆植物纤维原料，3份润滑剂，0.2份纳米氧化锌，5份硫磺，先将基础橡胶和包覆有羧甲基纤维素钠的汽爆植物纤维原料于炼胶机上进行炼胶，直至包辊后，再加入润滑剂、纳米氧化锌和硫磺，薄通下片，于平板硫化机上硫化成型，出料，冷却，即得产品；

所述基础橡胶选自天然橡胶；

所述润滑剂选自硬脂酸钙；

所述植物纤维原料选自小麦秸秆；

所述纳米氧化铝颗粒为粒径分布范围为1-500nm的纳米氧化铝颗粒。

对上述各实施例和对比例所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：

力学性能测试：拉伸性能测试按照GB/T528-1998标准在万能材料试验机(WdW-10C型，上海华龙测试仪器公司)进行，室温、加载速度为500mm/min，每组复合材料测试6个纵向(MD)拉伸试样，求平均值；撕裂强度按照GB/T529-1999标准，每组硫化胶测试5个纵向(MD)撕裂试样，分别求平均值，具体测试结果如表1所示；

对实施例1产品及实施例4和5进行对比疲劳测试：将样条置于材料动态疲劳试验机(DF-8000-5型，高铁检测仪器东莞有限公司)上，通过应变控制下循环3万次后测试复合材料耐疲劳性能。测试条件为：应变15mm，振幅3mm，频率5Hz；得到不同实施例产品对应的滞后环面积，通过观测发现，实施例1的滞后环面积明显大于实施例4和5的滞后环面积，由此说明，氧化铝颗粒的加入，一定程度上改善了材料的产热情况；

表1：产品性能测试结果

由表1测试结果可知，本发明所得产品具有优异的静态力学性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种橡胶生物机大底，其特征在于，包括以下重量份数的原料：

200-250份基础橡胶，30-50份汽爆植物纤维原料，3-5份润滑剂，0.2-0.5份纳米氧化锌；

所述汽爆植物纤维原料表面包覆有PVDF树脂；

所述PVDF树脂的用量为所述汽爆植物纤维原料质量的20-30%；

所述汽爆植物纤维原料是由植物纤维原料经蒸汽爆破后，与溶解有PVDF树脂的溶剂喷雾干燥得到；

所述PVDF树脂中，分散有粒径分布范围为1-500nm的纳米氧化铝颗粒；所述纳米氧化铝颗粒的用量为所述PVDF树脂质量的5-10%。

2.根据权利要求1所述的一种橡胶生物机大底，其特征在于，所述基础橡胶选自天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种橡胶生物机大底，其特征在于，所述润滑剂选自硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸镁中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种橡胶生物机大底，其特征在于，所述植物纤维原料选自小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆、米糠、茶叶渣中的任意一种或多种的组合。

5.根据权利要求1-4任一项所述的橡胶生物机大底的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：

汽爆植物纤维原料的制备：

将植物纤维原料用水浸泡后，转入汽爆罐中，加热加压后，泄压汽爆，干燥，得汽爆碎渣；

准备汽爆碎渣、汽爆碎渣质量20-30%的PVDF树脂，以及PVDF树脂质量5-8倍的溶剂，先将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，再加入汽爆碎渣，经喷雾干燥，得包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料；

产品的制备：

按重量份数计，依次取200-250份基础橡胶，30-50份包覆有PVDF的汽爆植物纤维原料，3-5份润滑剂，0.2-0.5份纳米氧化锌，5-10份硫磺，塑炼，薄通下片，硫化成型，即得产品；

所述具体制备步骤还包括：将PVDF树脂和溶剂混合溶解后，加入PVDF树脂质量5-10%的纳米氧化铝颗粒。