CN115725122B - 一种炭黑橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

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CN115725122B CN202310010605.8A CN202310010605A CN115725122B CN 115725122 B CN115725122 B CN 115725122B CN 202310010605 A CN202310010605 A CN 202310010605A CN 115725122 B CN115725122 B CN 115725122B
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Abstract

本发明属于复合材料领域,尤其涉及一种炭黑橡胶复合材料及其制备方法。所述炭黑橡胶复合材料包括以下重量份的组分:橡胶100重量份,改性炭黑30~80重量份,氧化物填料3~8重量份,硬脂酸2~5重量份,防老剂2~5重量份,硫化剂1~3重量份,促进剂0.5~3重量份,增塑剂5~10重量份。本发明通过对炭黑进行的特定改性处理,使得炭黑能够更有效地用于橡胶的强化,实现具有高补强、低滞后双重优势的炭黑橡胶复合材料的制备,并且该橡胶由于双体系分子网络的共交联,以及其中一种分子网络以笼状形式分散在橡胶基体分子网络中,因而使得复合材料还具备一定的自修复性能。

Description

一种炭黑橡胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域,尤其涉及一种炭黑橡胶复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来世界各国对轮胎制造和使用过程中的环保问题日益重视,我国各级监管部门和广大消费者对轮胎制品的性能也提出了更为严格的要求。因此,在保持良好的耐磨性和对干、湿路面高抓着力的基础上,最大限度的降低轮胎滚动阻力,获得低油耗、低碳排放的“绿色轮胎”,已经成为世界轮胎产业的主流发展方向。
在轮胎橡胶材料中,炭黑是使用最广泛、用量最大的增强填料。由于其较低的价格和高补强特点,在轮胎工业中具有难以替代的战略性地位。但炭黑填充到橡胶中,由于炭黑的高结构、高比表面积的特点,非常容易聚集。炭黑聚集形成填料网络后,虽有利于补强,但在动态载荷条件下,炭黑与炭黑、炭黑与橡胶分子链间的相对滑移和摩擦,将导致较严重的滞后损失,不利于节能和减排。且炭黑原生粒子直径小、比表面积大,导致其表面能极高,易团聚,在橡胶中一般都是以大的聚集体形态存在,很难达到纳米级别分散,在动态变形下,炭黑粒子间内摩擦严重,滞后生热高。另一方面,炭黑与橡胶之间主要通过物理吸附作用结合在一起,在动态形变过程中,易发生橡胶分子链的滑移、吸附-解吸附过程,也会造成一定的滞后损失。对此,技术人员不断地对橡胶复合材料进行调整和改进。
如中国专利CN202210256222和中国专利CN202210905497使用改性白炭黑或将白炭黑与其他填料并用,抑制了白炭黑在橡胶中形成网络化结构的趋势,使复合胶料具有较低的滚动阻力、较好的抗湿滑性能和良好的耐磨耗性能。但相比炭黑,白炭黑缺乏导电性,使其填充胶料的电阻较高,易出现静电积蓄带来的危害。此外,还存在硫化特性和加工性能不佳,强度、抗破坏性、耐磨性较低等轮胎使用性能方面的不足。因此,在轮胎工业中,尤其是对于卡客车等对力学强度、抗破坏性有较高要求的大型车胎中,炭黑仍具有不可替代性地位。
发明内容
为解决现有的炭黑-橡胶复合材料中炭黑分散性差,容易出现团聚,且炭黑与橡胶中的结合强度低,两者并无实际链接关系,在使用过程中容易出现炭黑-炭黑和/或炭黑-橡胶之间的内摩擦作用,导致强度低、滞后损失大等问题,本发明提供了一种炭黑橡胶复合材料,以及该复合材料的制备方法。
本发明的主要目的在于:
一、通过改性实现炭黑与橡胶之间的分子链接,提高炭黑所产生的补强作用效果;
二、削弱炭黑与炭黑和/或炭黑与橡胶之间的内摩擦作用,减少滞后损失;
三、实现炭黑在橡胶基体中的高度均匀分散。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案。
一种炭黑橡胶复合材料,
所述炭黑橡胶复合材料包括以下重量份的组分:
橡胶100 重量份,改性炭黑30~80 重量份,氧化物填料3~8 重量份,硬脂酸2~5重量份,防老剂2~5 重量份,硫化剂1~3 重量份,促进剂0.5~3 重量份,增塑剂5~10 重量份。
本发明以橡胶为基体,配合常见的氧化物填料、防老剂、硫化剂、促进剂和增塑剂等材料进行橡胶材料的硫化制备,同时本发明针对炭黑填料进行了调整,选用特定的改性炭黑,通过改性炭黑与橡胶基体之间形成分子连接,从而使得橡胶分子链能够对炭黑进行捕获和分散,提高两者结合强度,且通过分子捕获的方式实现炭黑的高度分散。此外,在该过程中还需要硬脂酸配合,硬脂酸在本发明技术方案中首先起到润滑输送炭黑的作用,此外还能够形成链接的“滞后”,避免炭黑被橡胶分子链快速固定,形成团聚。具体的,本发明所用橡胶应当为天然橡胶和/或丁苯橡胶和/或顺丁橡胶,该三种橡胶的实际使用效果要优于其余橡胶基体。
而对于其余原料的选择均可采用常规选择,如:所述的防老剂为2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合体、N-苯基-α-苯胺、N-苯基-β-萘胺、N-苯基-N`-环己基对苯二胺、N-苯基-N`-异丙基-对苯二胺、N-N`-二苯基-对苯二胺、4.4一双(2.2-二甲基苄基)二苯胺中的一种或几种并用,所述的促进剂为TMTD、TMTM、M、DM、NS、CZ、DZ、DPG中的一种或几种并用,所述的增塑剂为芳烃油、石蜡油、环烷油、煤焦油、古马隆、脂肪油系增塑剂、合成增塑剂中的任意一种。
作为优选,
所述改性炭黑为链转移改性炭黑。
本发明的链转移改性炭黑即对炭黑进行处理后,其表面由分子链交缠包覆构成类似“分子笼”的结构,而该特殊的结构使得炭黑能够与橡胶分子网络形成共交联,以此将炭黑锚定在橡胶中,形成高度有序的分散和固定。
作为优选,
所述链转移改性炭黑的制备方法为:
a)取炭黑置于浓硝酸中进行预处理,预处理后加入硅烷偶联剂,并在搅拌过程中缓慢加入有机溶剂至呈糊状,持续搅拌后烘干得到预处理炭黑;
b)将预处理炭黑分散于有机溶剂中,加入RAFT试剂,热处理促进预处理炭黑表面环氧基开环后得到链转移剂锚定炭黑;
c)将链转移剂锚定炭黑加入至有机溶剂中,加入引发剂和聚合物单体,回流反应后得到链转移改性炭黑。
在上述方法中,首先进行了氧化改性,改性后通过硅烷偶联剂和RAFT试剂配合,在其表面通过RAFT聚合接枝聚合物单体的分子链,而该分子链后续能够通过桥接的方式与橡胶分子进行链接,且改善了炭黑与橡胶相容性差的问题,实现了炭黑橡胶复合材料的补强强度提升和滞后削弱双重效果。具体的,炭黑可选用N110、N121、N219、N220、N234、N326、N330、N339、N539、N550、N660、N774等牌号中的一种或几种,以上种类的炭黑均经过试验具有良好的使用效果。
具体在制备过程中,以重量份数计算,需要着重控制以下若干物质的质量比:
炭黑10 重量份,硅烷偶联剂0.01~0.1 重量份,RAFT试剂2~5重量份;
而聚合物单体以每10 g炭黑加入1.0~1.1 mol的比例加入。
作为优选,
步骤b)中所述RAFT试剂为具有端羧基的RAFT试剂。
具体的,所述RAFT试剂可选用2-(十二烷基硫基硫代羰基硫基)-2-甲基丙酸、4-氰基-4-(十二烷基硫烷基硫代羰基)硫烷基戊酸、S-(硫代苯甲酰基)硫乙酸、苄基三硫代碳酸酯基丙酸中的任意一种或多种。选用具有端羧基的RAFT试剂能够与后续所用的聚合物单体进行有效的链接,而聚合物单体可选用异戊二烯、苯乙烯、丁二烯、丙烯腈、异丁烯中的任意一种或多种。
作为优选,
步骤c)中,所述有机溶剂为沸点为65~70 ℃的有机溶剂;
所述回流反应于60~65 ℃条件下进行6~24 h。
选用沸点略高于回流反应温度的有机溶剂,能够提高反应效率和反应效果,同时能够形成“微沸”的实际效果,在反应过程中促进炭黑分散、形成粒径更加均匀分散而不团聚的改性炭黑。
一种炭黑橡胶复合材料的制备方法,
所述制备方法包括:
1)向辊式混炼机中加入橡胶,控制辊升温后对橡胶进行炼塑,至橡胶完全包辊,随后割刀处理并加入氧化物填料、硬脂酸和防老剂,继续混炼;
2)混炼3~6 min后分2~4 次加入改性炭黑和增塑剂,再混炼3~7 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后再次割刀处理,得到混炼胶;
3)将混炼胶置于模具中进行高压硫化即得到炭黑橡胶复合材料。
在上述方案中,物料的加入顺序将会较为明显的影响实际制备效果。如硬脂酸在改性炭黑之后加入使用,或同时加入使用,均会导致炭黑形成团聚或分散效果不佳,而使得炭黑橡胶复合材料的性能减弱。
作为优选,
步骤1)所述辊升温至30~70 ℃。
该温度条件是常见的橡胶混炼制备温度,适用于本发明技术方案。
作为优选,
步骤2)所述改性炭黑和增塑剂交替加入。
改性炭黑与增塑剂的交替加入目的在于不断地分散和固定炭黑,增塑剂加入后炭黑会相对固定与橡胶分子网络形成共交联,缠结固定炭黑。
本发明的有益效果是:
本发明通过对炭黑进行的特定改性处理,使得炭黑能够更有效地用于橡胶的强化,实现具有高补强、低滞后双重优势的炭黑橡胶复合材料的制备,并且该橡胶由于双体系分子网络的共交联,以及其中一种分子网络以笼状形式分散在橡胶基体分子网络中,因而使得复合材料还具备一定的自修复性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外,下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。因此,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的前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明,本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料;如无特殊说明,本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
实施例1
一种炭黑橡胶复合材料,其首先按照如下比例配料:
橡胶100 重量份,改性炭黑50 重量份,氧化锌5 重量份,硬脂酸3 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)3.5 重量份,硫化剂(硫磺)2 重量份,促进剂(TMTM)2 重量份,增塑剂(古马隆)8 重量份;
其中,改性炭黑由以下工艺进行制备:
a)取10 g N234炭黑分散在浓硫酸中,氧化预处理6 h后,过滤取出并加入0.05 g硅烷偶联剂KH-560,搅拌混匀并在搅拌过程中缓慢滴加丙酮,至呈糊状后继续搅拌30 min,于烘箱中烘干得到预处理炭黑;
b)将预处理炭黑加入至150 mL甲基异丁基酮中,再加入3 g苄基三硫代碳酸酯基丙酸,于95 ℃条件下反应12 h,随后洗涤并烘干得到链转移剂锚定炭黑;
c)将链转移剂锚定炭黑加入至200 mL重蒸过的THF(无水四氢呋喃)中,再加入0.985 g引发剂AIBN和120 mL苯乙烯,于65 ℃条件下回流反应12 h,随后以THF洗涤5次,离心干燥,即制得链转移改性炭黑,称重可知所制得的链转移改性炭黑质量约为50 g。
所述炭黑橡胶复合材料通过以下方法进行制备:
1)将橡胶切块备用,向双辊开炼机中加入橡胶,调节辊距至1.5 mm,辊温控制为50℃,塑炼至橡胶完全包前辊后割刀两次(120 s/刀),加入氧化锌、硬脂酸和防老剂继续混炼;
2)混炼4 min后分3次交替加入改性炭黑和增塑剂,每次加入量几乎相等(差值≤2%),继续混炼5 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后左右翻刀三次,调小辊距至1.0mm,打四次三角包后出片得到混炼胶备用;
3)将混炼胶置于深2.0 mm的正方形模具中,放入平板硫化机,于20 MPa压力条件下以150 ℃硫化2 h,即得到炭黑橡胶复合材料。
实施例2
一种炭黑橡胶复合材料,其首先按照如下比例配料:
橡胶100 重量份,改性炭黑50 重量份,氧化锌5 重量份,硬脂酸3 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)3.5 重量份,硫化剂(硫磺)2 重量份,促进剂(TMTM)2 重量份,增塑剂(古马隆)8 重量份;
其中,改性炭黑由以下工艺进行制备:
a)取10 g N234炭黑分散在浓硫酸中,氧化预处理6 h后,过滤取出并加入0.05 g硅烷偶联剂KH-560,搅拌混匀并在搅拌过程中缓慢滴加丙酮,至呈糊状后继续搅拌30 min,于烘箱中烘干得到预处理炭黑;
b)将预处理炭黑加入至150 mL甲基异丁基酮中,再加入3 g苄基三硫代碳酸酯基丙酸,于95 ℃条件下反应12 h,随后洗涤并烘干得到链转移剂锚定炭黑;
c)将链转移剂锚定炭黑加入至200 mL重蒸过的THF(无水四氢呋喃)中,再加入0.985 g引发剂AIBN、60 mL苯乙烯和60 mL丁二烯,于65 ℃条件下回流反应12 h,随后以THF洗涤5次,离心干燥,即制得链转移改性炭黑,称重可知所制得的链转移改性炭黑质量约为50 g。
所述炭黑橡胶复合材料通过以下方法进行制备:
1)将橡胶切块备用,向双辊开炼机中加入橡胶,调节辊距至1.5 mm,辊温控制为50℃,塑炼至橡胶完全包前辊后割刀两次(120 s/刀),加入氧化锌、硬脂酸和防老剂继续混炼;
2)混炼4 min后分3次交替加入改性炭黑和增塑剂,每次加入量几乎相等(差值≤2%),继续混炼5 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后左右翻刀三次,调小辊距至1.0mm,打四次三角包后出片得到混炼胶备用;
3)将混炼胶置于深2.0 mm的正方形模具中,放入平板硫化机,于20 MPa压力条件下以150 ℃硫化2 h,即得到炭黑橡胶复合材料。
对比例1
一种炭黑橡胶复合材料,其首先按照如下比例配料:
橡胶100 重量份,炭黑(N234)50 重量份,氧化锌5 重量份,硬脂酸3 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)3.5 重量份,硫化剂(硫磺)2 重量份,促进剂(TMTM)2 重量份,增塑剂(古马隆)8 重量份;
所述炭黑橡胶复合材料通过以下方法进行制备:
1)将橡胶切块备用,向双辊开炼机中加入橡胶,调节辊距至1.5 mm,辊温控制为50℃,塑炼至橡胶完全包前辊后割刀两次(120 s/刀),加入氧化锌、硬脂酸和防老剂继续混炼;
2)混炼4 min后分3次交替加入炭黑和增塑剂,每次加入量几乎相等(差值≤2 %),继续混炼5 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后左右翻刀三次,调小辊距至1.0 mm,打四次三角包后出片得到混炼胶备用;
3)将混炼胶置于深2.0 mm的正方形模具中,放入平板硫化机,于20 MPa压力条件下以150 ℃硫化2 h,即得到炭黑橡胶复合材料。
对比例2
一种炭黑橡胶复合材料,其首先按照如下比例配料:
橡胶100 重量份,白炭黑50 重量份,氧化锌5 重量份,硬脂酸3 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)3.5 重量份,硫化剂(硫磺)2 重量份,促进剂(TMTM)2 重量份,增塑剂(古马隆)8 重量份;
其中,白炭黑经过以下处理:
取50 g白炭黑加入0.25 g硅烷偶联剂KH-560,混匀并在搅拌过程中缓慢滴加丙酮至呈糊状后继续搅拌30 min,于烘箱中烘干;
所述炭黑橡胶复合材料通过以下方法进行制备:
1)将橡胶切块备用,向双辊开炼机中加入橡胶,调节辊距至1.5 mm,辊温控制为50℃,塑炼至橡胶完全包前辊后割刀两次(120 s/刀),加入氧化锌、硬脂酸和防老剂继续混炼;
2)混炼4 min后分3次交替加入白炭黑和增塑剂,每次加入量几乎相等(差值≤2%),继续混炼5 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后左右翻刀三次,调小辊距至1.0mm,打四次三角包后出片得到混炼胶备用;
3)将混炼胶置于深2.0 mm的正方形模具中,放入平板硫化机,于20 MPa压力条件下以150 ℃硫化2 h,即得到炭黑橡胶复合材料。
对比例3
一种炭黑橡胶复合材料,其首先按照如下比例配料:
橡胶100 重量份,改性白炭黑50 重量份,氧化锌5 重量份,硬脂酸3 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)3.5 重量份,硫化剂(硫磺)2 重量份,促进剂(TMTM)2 重量份,增塑剂(古马隆)8 重量份;
其中,改性炭黑由以下工艺进行制备:
a)取10 g 白炭黑加入0.05 g硅烷偶联剂KH-560,搅拌混匀并在搅拌过程中缓慢滴加丙酮,至呈糊状后继续搅拌30 min,于烘箱中烘干得到预处理白炭黑;
b)将预处理白炭黑加入至150 mL甲基异丁基酮中,再加入3 g苄基三硫代碳酸酯基丙酸,于95 ℃条件下反应12 h,随后洗涤并烘干得到中间体白炭黑;
c)将中间体白炭黑加入至200 mL重蒸过的THF(无水四氢呋喃)中,再加入0.985 g引发剂AIBN和120 mL苯乙烯,于65 ℃条件下回流反应12 h,随后以THF洗涤5次,离心干燥,即制得改性白炭黑。
所述炭黑橡胶复合材料通过以下方法进行制备:
1)将橡胶切块备用,向双辊开炼机中加入橡胶,调节辊距至1.5 mm,辊温控制为50℃,塑炼至橡胶完全包前辊后割刀两次(120 s/刀),加入氧化锌、硬脂酸和防老剂继续混炼;
2)混炼4 min后分3次交替加入改性白炭黑和增塑剂,每次加入量几乎相等(差值≤2 %),继续混炼5 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后左右翻刀三次,调小辊距至1.0 mm,打四次三角包后出片得到混炼胶备用;
3)将混炼胶置于深2.0 mm的正方形模具中,放入平板硫化机,于20 MPa压力条件下以150 ℃硫化2 h,即得到炭黑橡胶复合材料。
对比例4
一种炭黑橡胶复合材料,其首先按照如下比例配料:
橡胶100 重量份,改性白炭黑50 重量份,氧化锌5 重量份,硬脂酸3 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)3.5 重量份,硫化剂(硫磺)2 重量份,促进剂(TMTM)2 重量份,增塑剂(古马隆)8 重量份;
其中,改性炭黑由以下工艺进行制备:
a)取10 g 白炭黑加入0.05 g硅烷偶联剂KH-560,搅拌混匀并在搅拌过程中缓慢滴加丙酮,至呈糊状后继续搅拌30 min,于烘箱中烘干得到预处理白炭黑;
b)将预处理白炭黑加入至150 mL甲基异丁基酮中,再加入3 g苄基三硫代碳酸酯基丙酸,于95 ℃条件下反应12 h,随后洗涤并烘干得到中间体白炭黑;
c)将中间体白炭黑加入至200 mL重蒸过的THF(无水四氢呋喃)中,再加入0.985 g引发剂AIBN、60 mL苯乙烯和60 mL丁二烯,于65 ℃条件下回流反应12 h,随后以THF洗涤5次,离心干燥,即制得改性白炭黑。
所述炭黑橡胶复合材料通过以下方法进行制备:
1)将橡胶切块备用,向双辊开炼机中加入橡胶,调节辊距至1.5 mm,辊温控制为50℃,塑炼至橡胶完全包前辊后割刀两次(120 s/刀),加入氧化锌、硬脂酸和防老剂继续混炼;
2)混炼4 min后分3次交替加入改性白炭黑和增塑剂,每次加入量几乎相等(差值≤2 %),继续混炼5 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后左右翻刀三次,调小辊距至1.0 mm,打四次三角包后出片得到混炼胶备用;
3)将混炼胶置于深2.0 mm的正方形模具中,放入平板硫化机,于20 MPa压力条件下以150 ℃硫化2 h,即得到炭黑橡胶复合材料。
测试I
对上述实施例1~2和对比例1~4所得炭黑橡胶复合材料进行力学性能表征测试。其中,拉伸强度、 300 %定伸应力 按GB/T 528-2009进行测试。阿克隆磨耗按GB/T1689-1998进行测试。损耗因子(DMA在60℃、1 %应变振幅下测得的损耗因子)用动态热机械分析仪进行测试。测试条件:拉伸模式,设置温度范围-70~100 ℃、升温3 ℃/min、频率10 Hz、振幅1%。
表征测试结果如下所示。
Sample 实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
拉伸强度(MPa) 27.23 28.94 26.72 15.40 16.23 17.56
300%定伸(MPa) 15.69 16.26 14.89 4.10 5.42 7.16
磨耗(cm3/1.6Km) 0.10896 0.10122 0.12201 0.25361 0.21078 0.18376
60℃@ (DMA,1%) 0.112 0.105 0.124 0.102 0.093 0.083
从上表可以看出,炭黑/白炭黑表面接枝聚合物后对橡胶的动静态力学性能有较大影响。在表面接枝均聚或共聚聚合物链后,其填充硫化胶的强度和耐磨性均有提高。共聚之后由于在硫化时炭黑表面接枝链上含双键能参与共硫化,硫化胶滞后性明显降低且降低程度比接枝链上无双键的改性炭黑/白炭黑填充胶料更甚。同时可以看出的是,纵使填充改性白炭黑比填充改性炭黑的橡胶复合材料滞后性更低,但其强度和耐磨性太低而不适用于有高强度要求的轮胎制品。因此,对炭黑表面进行接枝,特别是接枝上一些分子链上含双键的聚合物,可制得一种高强度、低滞后性的橡胶复合材料,适用于有高强度、高耐磨和低滞后性能要求的绿色轮胎制品。
实施例3
一种炭黑橡胶复合材料,基于实施例1工艺,仅改变配料比例如下:
橡胶100 重量份,改性炭黑30重量份,氧化锌8重量份,硬脂酸2 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)2 重量份,硫化剂(硫磺)1 重量份,促进剂(TMTM)0.5 重量份,增塑剂(古马隆)5 重量份;
对本实施例所制得的橡胶进行相同的测试表征,表征结果显示本例所制得的炭黑橡胶复合材料拉伸强度为20.72 MPa,300 %定伸应力为11.96 MPa,磨耗为0.11993 cm3/1.6Km,损耗因子为0.081。
实施例4
一种炭黑橡胶复合材料,基于实施例1工艺,仅改变配料比例如下:
橡胶100 重量份,改性炭黑80 重量份,氧化锌3 重量份,硬脂酸5 重量份,防老剂(N-苯基-α-苯胺)5 重量份,硫化剂(硫磺)3 重量份,促进剂(TMTM)3 重量份,增塑剂(古马隆)10 重量份;
对本实施例所制得的橡胶进行相同的测试表征,表征结果显示本例所制得的炭黑橡胶复合材料拉伸强度为32.02 MPa,300 %定伸应力为19.25 MPa,磨耗为0.10011 cm3/1.6Km,损耗因子为0.136。
在低填充份数的情况下,炭黑橡胶复合材料的力学性能有着不小的降低,但在力学性能降低的同时滞后性也明显的降低了,且力学性能依旧超过白炭黑复合材料的同时滞后性降低到了填充改性白炭黑的同一水平。在高填充份数的情况下,纵使滞后性有所提高,其力学性能有很大提升,可以应用于更大强度的橡胶工业。可见本发明炭黑橡胶复合材料以合适的配料比进行制备,均能够实现高强、低滞后的高品质轮胎橡胶制备。
对比例5
一种炭黑橡胶复合材料,基于实施例1工艺,仅改变硬脂酸的加入时机:
将硬脂酸三等分后于步骤2)中与改性炭黑共同加入。
对本对比例所制得的橡胶进行相同的测试表征,表征结果显示本例所制得的炭黑橡胶复合材料拉伸强度为26.88 MPa,300 %定伸应力为15.10 MPa,磨耗为0.11613 cm3/1.6Km,损耗因子为0.121。
在仅改变硬脂酸加入时机的情况下,明显可以看出炭黑橡胶复合材料的性能有着显著的下降,尤其损耗因子和磨耗性能方面下降十分显著,可见硬脂酸对于本发明特殊改性炭黑的分散和固定存在较为显著的影响,因而需要设置适当的加入时机。
对比例6
一种炭黑橡胶复合材料,基于实施例1工艺,仅调整改性炭黑和增塑剂依次一次性全部加入。
对本对比例所制得的橡胶进行相同的测试表征,表征结果显示本例所制得的炭黑橡胶复合材料拉伸强度为27.03 MPa,300 %定伸应力为15.39 MPa,磨耗为0.11291 cm3/1.6Km,损耗因子为0.118。
在仅改变改性炭黑和增塑剂依次一次性全部加入的情况下,实际由于改性炭黑容易形成团聚固定,导致了炭黑橡胶材料在损耗因子和磨耗性能方面下降十分显著,而在强度方面下降较小,而随着改性炭黑和增塑剂的加入次数增大,损耗因子和磨耗性能方面得到显著提升,而达到分4 次交替加入时,其基本达到峰值,因而为确保制备效率、控制制备成本,将改性炭黑和增塑剂分2~4次交替加入是较优的选择。
测试II
对实施例1~4和对比例1~6进行自修复试验。
压片制取2 mm厚度的长条状样品。使用钉子(钉杆直径2.5 mm)扎入2.5 cm可以被包裹住而不扎破,将样品扎破并拔出钉子后,实施例1~4组的试样可以在180 min内恢复并修补破洞,对比例3~4试验组需要在约220~230 min内恢复并修补破洞,对比例5~6 试验组可以在220~250 min内恢复并修补破洞,对比例1~2试验组无法实现对破洞的自修复。
可见本发明改性炭黑的使用能够使得炭黑橡胶复合材料具备一定的自修复性能。

Claims (6)

1.一种炭黑橡胶复合材料,其特征在于,
所述炭黑橡胶复合材料包括以下重量份的组分:
橡胶100 重量份,改性炭黑30~80 重量份,氧化物填料3~8 重量份,硬脂酸2~5 重量份,防老剂2~5 重量份,硫化剂1~3 重量份,促进剂0.5~3 重量份,增塑剂5~10 重量份;
所述改性炭黑为链转移改性炭黑;
所述链转移改性炭黑的制备方法为:
a)取炭黑置于浓硝酸中进行预处理,预处理后加入硅烷偶联剂,并在搅拌过程中缓慢加入有机溶剂至呈糊状,持续搅拌后烘干得到预处理炭黑;
b)将预处理炭黑分散于有机溶剂中,加入RAFT试剂,热处理促进预处理炭黑表面环氧基开环后得到链转移剂锚定炭黑;
c)将链转移剂锚定炭黑加入至有机溶剂中,加入引发剂和聚合物单体,回流反应后得到链转移改性炭黑;
步骤a)所述硅烷偶联剂为KH-560;
步骤c)所述聚合物单体为异戊二烯、苯乙烯、丁二烯、丙烯腈、异丁烯中的任意一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种炭黑橡胶复合材料,其特征在于,
步骤b)中所述RAFT试剂为具有端羧基的RAFT试剂。
3.根据权利要求1所述的一种炭黑橡胶复合材料,其特征在于,
步骤c)中,所述有机溶剂为沸点为65~70 ℃的有机溶剂;
所述回流反应于60~65 ℃条件下进行6~24 h。
4.一种如权利要求1所述炭黑橡胶复合材料的制备方法,其特征在于,
所述制备方法包括:
1)向辊式混炼机中加入橡胶,控制辊升温后对橡胶进行炼塑,至橡胶完全包辊,随后割刀处理并加入氧化物填料、硬脂酸和防老剂,继续混炼;
2)混炼3~6 min后分2~4 次加入改性炭黑和增塑剂,再混炼3~7 min后加入硫化剂和促进剂,待吃粉完成后再次割刀处理得到混炼胶;
3)将混炼胶置于模具中进行高压硫化即得到炭黑橡胶复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种炭黑橡胶复合材料的制备方法,其特征在于,
步骤1)所述辊升温至30~70 ℃。
6.根据权利要求4所述的一种炭黑橡胶复合材料的制备方法,其特征在于,
步骤2)所述改性炭黑和增塑剂交替加入。
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