CN117106250A - 一种橡胶跑道卷材底层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于预制型橡胶卷材跑道技术领域，公开了一种橡胶跑道卷材底层材料及其制备方法，该橡胶跑道卷材底层材料采用挤出工艺制得，所述橡胶跑道卷材按重量份数计包括以下组分：合成橡胶30‑50份、纳米材料改性胶粉30‑55份、橡胶油10‑20份、填料10‑30份、防老剂0.1‑0.5份、氧化锌2‑3份、硬脂酸0.5‑1.5份、色粉1‑2份、石墨粉1‑2.5份、硫化剂0.5‑1份、促进剂0.1‑1份；其中纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过稀盐酸和氢氟酸混合溶液表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛表面接枝得到；所述纳米二氧化钛的表面包覆有提高纳米二氧化钛分散性的有机改性剂；其中稀盐酸和氢氟酸混合溶液中氢氟酸的浓度稀释至1‑2％。本发明材料表面不会有明显孔洞，力学性能也大幅提升。

Description

一种橡胶跑道卷材底层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及预制型橡胶卷材跑道技术领域，具体涉及一种橡胶跑道卷材底层材料及其制备方法。

背景技术

随着时代的发展，跑道的类型也越来多，不同材质、性能和应用范围也会有很大的差异性。预制型橡胶跑道受到了很多专业体育赛事运动场的欢迎，时至今日，很多高等学校甚至都是会使用预制型橡胶跑道。

工厂预先生产好预制型橡胶跑道卷材，然后直接进行打包，并且运输到铺设的现场中，去进行跑道的铺设，橡胶跑道卷材具有安装简单、方便日常清洁、功能优良、能够提供很好的冲击吸收和能量回收等特点。

预制型操场跑道是一种预制型橡胶跑道卷材，以天然橡胶和人工橡胶为底，采用混合矿物填料、稳定剂和彩色材料连续压延，经280-300℃高温硫硬化、机械压花、双层结构合成的橡胶。

正如中国专利202310552177.1公开的一种预制型橡胶跑道卷材及其制备方法，该跑道卷材由冲突面层、粘结层和抗蠕变减震底层组成，抗蠕变减震底层按照重量份计包括：三元乙丙橡胶80-100份、丁苯橡胶30-40份、乙烯-醋酸乙烯酯橡胶15-20份、促交联纤维8-13份、补强剂5-7份、填料15-22份、硫化剂1.4-1.9份、促进剂0.6-0.8份、润滑剂1.5-2份、防焦剂0.3-0.4份和防老剂0.5-0.6份。

上述专利的促交联纤维表面改性有过氧化物修饰，共热过程中优先在碳纤维的近层形成致密且无交联链的交联层，充分发挥碳纤维高模量特点，从而使得底层材料不易出现蠕变变形，使得跑道材料易于同跑道地基贴合，大幅提高了安装的方便性和牢固性。

同时上述专利也公开了它的抗蠕变减震底层是通过两步混炼法加工得到的，虽然两步混炼法具有生产工艺成熟、过程容易控制等特点，但是相对的劳动强度大，需要更多的操作工，并且生产过程连续性差，且胶料的力学性能相对差一点，采用压延工艺制出的橡胶跑道卷材表面会有孔洞出现，橡胶跑道卷材底层材料的力学性能难以满足部分客户的高性能要求。

为了避免上述问题的产生，基于压延工艺的缺点，可以考虑采用挤出工艺来制备橡胶跑道卷材，由于现有技术中并没有采用挤出工艺来制备橡胶跑道卷材底层材料，因此没有技术参考，需要研发并做相应的生产尝试；

在申请人的研发生产过程中，发现由于橡胶跑道卷材底层材料为了降低成本会添加大量的填充粉料和橡胶粉，导致胶料的流动性能较差，用传统的压延工艺不会存在问题，但是采用挤出工艺的时候回由于胶料的流动性差引起胶料在挤出机机筒里面停留时间过程或压力过大从而导致胶料温度过高提前硫化，严重影响了后续的压花工序，生产出来的橡胶跑道卷材底层材料的力学性能很低。

基于上述原因，需要研发出一种采用挤出工艺制得的橡胶跑道卷材，可以满足部分客户的高性能要求。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种橡胶跑道卷材底层材料，该跑道卷材采用挤出工艺制得，以解决现有技术中采用压延工艺制得的橡胶跑道卷材表面有明显孔洞产生，力学性能不能满足部分客户的高性能要求的问题。

本发明另一目的在于，提供一种橡胶跑道卷材底层材料底层材料的制备方法，通过纳米材料改性胶粉与其他组分的配合，在不降低降分使用量的情况下使配方能是用于挤出机，有效降低劳动强度，减少操作工人数量，可实现连续化供料生产，制备出力学性能更好、拉伸性能更优越的橡胶跑道卷材。

为实现上述目的，本发明提供了一种橡胶跑道卷材底层材料，采用挤出工艺制得，所述橡胶跑道卷材按重量份数计包括以下组分：合成橡胶30-50份、纳米材料改性胶粉30-55份、橡胶油10-20份、填料10-30份、防老剂0.1-0.5份、氧化锌2-3份、硬脂酸0.5-1.5份、色粉1-2份、石墨粉1-2.5份、硫化剂0.5-1份、促进剂0.1-1份；

其中纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过稀盐酸和氢氟酸表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛表面接枝得到；所述纳米二氧化钛的表面包覆有提高纳米二氧化钛分散性的有机改性剂；其中稀盐酸和氢氟酸混合溶液中氢氟酸的浓度稀释至1-2％。

作为其中一个优选方案，当纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过浓盐酸表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化硅表面接枝得到时，所述橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比为100：0.1-0.5。

进一步的，所述橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比可选为100：0.1、100：0.2、100：0.3、100：0.4、100：0.5。

优选的，所述纳米二氧化硅的粒径为20-50nm。

更进一步的，所述纳米二氧化硅的粒径为20-30nm。

作为其中一个优选方案，当纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过浓盐酸表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化钛表面接枝得到时，所述橡胶粉和纳米二氧化钛的重量比为1：0.1-0.3。

进一步的，所述橡胶粉和纳米二氧化钛的重量比可选为100：0.1、100：0.2、100：0.3。

进一步的，所述纳米二氧化钛的粒径为5-80nm。

进一步的，所述纳米二氧化钛的粒径为40-70nm。

作为其中一个优选方案，当纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过浓盐酸表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛表面接枝得到时，所述橡胶粉、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的重量比为100：0.1-0.3：0.05-0.15。

进一步的，所述纳米二氧化硅的粒径为20-30nm，所述纳米二氧化钛的粒径为5-10nm。

一种上述的橡胶跑道卷材底层材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：使用稀盐酸和氢氟酸混合的溶液对橡胶粉进行表面刻蚀处理，然后用清水清洗，除去表面杂质后干燥得到表面有多个凹坑的橡胶粉；

步骤2：将步骤1得到的橡胶粉按照1：10-12的固液比，将橡胶粉浸润在0.5％的硅烷偶联剂乙醇溶液中，于65℃下活化15分钟，取出冷却至室温，静置45分钟后，过滤、乙醇洗涤、干燥，得到表面改性的橡胶粉；

步骤3：将步骤2得到的橡胶粉与纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛充分混合均匀，放入混炼机中混炼4-15min得到纳米材料改性胶粉；

步骤4：将合成橡胶、纳米材料改性胶粉、橡胶油、填料、防老剂、氧化锌、硬脂酸、色粉、石墨粉投入密炼机中，压上顶栓，温度控制在80-120℃，密炼的时间在250-360s后得到A料；将A料降温至70℃时加入硫化剂、促进剂混合然后放入冷却机进行冷却收卷得到B料、将B料从投料口放入螺杆挤出机控制温度在85℃以内挤出得到所述橡胶跑道卷材。

有益效果

与现有技术相比，本发明至少具备以下优势：

(1)本发明采用挤出工艺生产橡胶跑道卷材，相比于压延工艺制得的橡胶跑道卷材，其表面不会有明显孔洞，力学性能也大幅提升。

(2)本发明通过浓盐酸刻蚀橡胶粉表面使得橡胶粉表面形成多个凹坑，然后经由硅烷偶联剂表面处理，再混合纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛使得纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛嵌入橡胶粉表面的凹坑之中，从而提高了橡胶粉的分散性、流动性，并且还进一步提高了橡胶粉的力学性能，使得纳米材料改性胶粉与其他胶料组分配合后可以在挤出机中顺利挤出，不会产生提前硫化的问题；

(3)本发明的纳米材料改性胶粉在橡胶粉表面嵌入纳米二氧化硅时流动性较高，而嵌入纳米二氧化钛时力学性能较强，可根据客户的具体需求来调整嵌入的纳米材料组分；

(4)本发明的纳米材料改性胶粉在橡胶粉表面嵌入特定比例的纳米二氧化硅和纳米二氧化钛时，其力学性能和流动性都达到了最佳平衡，生产出来的橡胶跑道卷材的力学性能和流动性能够同时满足高性能要求；

(5)本发明公开的橡胶跑道卷材配方里面添加了一定量的石墨粉和硬脂酸，使得整体交流的流动性有所提升，进一步避免了挤出过程中停留时间过长导致提前硫化的问题。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

为了详细说明本发明的技术内容，以下结合实施方式作进一步说明。

以下的实施例和对比例中，所述纳米二氧化钛的表面包覆有提高纳米二氧化钛分散性的有机改性剂，从而避免纳米二氧化钛在与橡胶粉混合的过程中容易出现纳米二氧化钛团聚的问题。

实施例1

一种橡胶跑道卷材底层材料，采用如下步骤制得：

步骤1：用浓度为18％的稀盐酸溶液将浓度为30％的氢氟酸溶液稀释至1％氢氟酸浓度形成混合溶液，使用混合溶液对橡胶粉进行表面刻蚀处理，然后用清水清洗，除去表面杂质后干燥得到表面有多个凹坑的橡胶粉；

步骤2：将步骤1得到的橡胶粉按照1：10的固液比，将橡胶粉浸润在0.5％的硅烷偶联剂乙醇溶液中，于65℃下活化15分钟，取出冷却至室温，静置45分钟后，过滤、乙醇洗涤、干燥，得到表面改性的橡胶粉；

步骤3：将步骤2得到的橡胶粉与粒径为40-50nm的纳米二氧化硅充分混合均匀，放入混炼机中混炼10min得到纳米材料改性胶粉，其中橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比为100：0.3；

步骤4：按重量份数计，将50份合成橡胶、40份纳米材料改性胶粉、10份橡胶油、20份填料、0.2份防老剂、2份氧化锌、1份硬脂酸、1份色粉、2.5份石墨粉投入密炼机中，压上顶栓，温度控制在100℃，密炼的时间在300s后得到A料；将A料降温至70℃时加入0.5份硫化剂、0.1份促进剂混合然后放入冷却机进行冷却收卷得到B料、将B料从投料口放入螺杆挤出机控制温度在85℃以内挤出得到所述橡胶跑道卷材。

实施例2

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比为100：0.5。

实施例3

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比为100：0.1。

实施例4

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3中纳米二氧化硅的粒径为20-30nm。

实施例5

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3改为：将步骤2得到的橡胶粉与粒径为40-50nm的纳米二氧化钛充分混合均匀，放入混炼机中混炼10min得到纳米材料改性胶粉，其中橡胶粉和纳米二氧化钛的重量比为100：0.3。

实施例6

大体与实施例5相同，不同之处在于，所述纳米二氧化钛的粒径为5-10nm。

实施例7

大体与实施例5相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉和纳米二氧化钛的重量比为100：0.1。

实施例8

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3改为：将步骤2得到的橡胶粉与粒径为20-30nm的纳米二氧化硅和粒径为5-10nm的纳米二氧化钛充分混合均匀，放入混炼机中混炼10min得到纳米材料改性胶粉，其中橡胶粉、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的重量比为100：0.2：0.1。

实施例9

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3改为：将步骤2得到的橡胶粉与粒径为20-30nm的纳米二氧化硅和粒径为5-10nm的纳米二氧化钛充分混合均匀，放入混炼机中混炼10min得到纳米材料改性胶粉，其中橡胶粉、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的重量比为100：0.25：0.05。

实施例10

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤4改为：按重量份数计，将30份合成橡胶、55份纳米材料改性胶粉、20份橡胶油、30份填料、0.5份防老剂、3份氧化锌、1份硬脂酸、2份色粉、1份石墨粉、1份硫化剂、1份促进剂混合、挤出得到所述橡胶跑道卷材。

实施例11

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比为100：0.05。

实施例12

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比为100：1。

实施例13

大体与实施例5相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉和纳米二氧化钛的重量比为100：0.05。

实施例14

大体与实施例5相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉和纳米二氧化钛的重量比为100：0.5。

实施例15

大体与实施例8相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的重量比为100：0.4：0.05。

实施例16

大体与实施例8相同，不同之处在于，所述步骤3中橡胶粉、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的重量比为100：0.2：0.2。

实施例17

大体与实施例8相同，不同之处在于，所述步骤3中纳米二氧化硅的粒径为40-50nm。

实施例18

大体与实施例8相同，不同之处在于，所述步骤3中纳米二氧化太的粒径为20-30nm。

对比例1

大体与实施例1相同，不同之处在于，取消步骤1和步骤2。

对比例2

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤4改为：按重量份数计，将50份合成橡胶、40份纳米材料改性胶粉、10份橡胶油、20份填料、0.2份防老剂、2份氧化锌、1份硬脂酸、1份色粉、2.5份石墨粉投入密炼机中，压上顶栓，温度控制在100℃，密炼的时间在300s后得到A料；将A料降温至70℃时加入0.5份硫化剂、0.1份促进剂混合然后放入冷却机进行冷却收卷得到B料、将B料从投料口放入压延机压延得到所述橡胶跑道卷材。

压延时，根据胶片的位置，校正胶片的整面厚度，确保胶片的位置处以压延辊的中间。

对比例3

大体与实施例1相同，不同之处在于，所述步骤1改为采用浓度为36％的浓盐酸对橡胶粉进行表面刻蚀处理。

产品性能测试

将实施例1-18和对比例1-2得到的橡胶跑道卷材按照以下方法进行性能检测，结果如表1所示；

测试方法：

熔融指数：按照ASTM D-1238标准进行测试(190℃/2.16Kg)；

拉伸强度和拉断伸长率均GB/T10654-2001规定的方法来进行测试。

表1实施例1-18和对比例1-2得到的橡胶跑道卷材性能测试结果

根据表1结果可知：

根据实施例1和实施例5的对比可知，本发明蚀刻后的橡胶粉表面负载纳米二氧化硅会比较倾向于提升材料的流动性，而蚀刻后的橡胶粉表面负载纳米二氧化钛会倾向于提升材料的力学性能。

根据实施例1、实施例5、实施例8、实施例9、实施例15和实施例16的对比可知，本发明蚀刻后的橡胶粉表面负载特定比例的纳米二氧化硅和纳米二氧化钛相比于单纯负载纳米二氧化硅或者单纯负载纳米二氧化钛可以大幅提升材料的流动性和力学性能，如果负载的纳米二氧化硅和纳米二氧化钛比例不合适，对材料的流动性和力学性能的提升并不明显。

根据实施例1-实施例18的数据对比可知，负载的纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛的粒径或者比例也会对材料的流动性和力学性能有所影响。

根据实施例1和对比例1的性能对比可知，本发明采用将橡胶粉蚀刻后负载纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛的技术方案可以显著提高材料的流动性和力学性能，使得制备出的材料可以在挤出机中顺利挤出，不会产生提前硫化的问题。

根据实施例1和对比例2的性能对比可知，本发明的橡胶组合采用挤出工艺能够最大化提升材料的力学性能，有效避免了压延工艺带来的缺点。

根据实施例1和对比例3的性能对比可知，本发明采用低浓度的盐酸和氢氟酸混合蚀刻橡胶粉，蚀刻得到的凹坑表面可以有效负载纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛，从而提升了橡胶粉的流动性和力学性能；但是采用较高浓度的盐酸对橡胶粉进行蚀刻的话，会使得橡胶粉表面的凹坑过大，导致载纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛容易出现团聚现象，橡胶粉的流动性和力学性能并不能得到有效的提升。

本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合选择的实施方式。所附的权利要求不应受说明本发明的实施方式所限制。在权利要求中所用的一些数值范围包括在其之内的子范围，这些范围中的变化也应为所附的权利要求覆盖。

Claims (8)

1.一种橡胶跑道卷材底层材料，其特征在于，采用挤出工艺制得，所述橡胶跑道卷材按重量份数计包括以下组分：合成橡胶30-50份、纳米材料改性胶粉30-55份、橡胶油10-20份、填料10-30份、防老剂0.1-0.5份、氧化锌2-3份、硬脂酸0.5-1.5份、色粉1-2份、石墨粉1-2.5份、硫化剂0.5-1份、促进剂0.1-1份；

其中纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过稀盐酸和氢氟酸混合溶液表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛表面接枝得到；所述纳米二氧化钛的表面包覆有提高纳米二氧化钛分散性的有机改性剂；其中稀盐酸和氢氟酸混合溶液中氢氟酸的浓度稀释至1-2％。

2.根据权利要求1所述的橡胶跑道卷材底层材料，其特征在于，当纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过浓盐酸表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化硅表面接枝得到时，所述橡胶粉和纳米二氧化硅的重量比为100：0.1-0.5。

3.根据权利要求2所述的橡胶跑道卷材底层材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径为20-50nm。

4.根据权利要求1所述的橡胶跑道卷材底层材料，其特征在于，当纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过浓盐酸表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化钛表面接枝得到时，所述橡胶粉和纳米二氧化钛的重量比为100：0.1-0.3。

5.根据权利要求4所述的橡胶跑道卷材底层材料，其特征在于，所述纳米二氧化钛的粒径为5-80nm。

6.根据权利要求1所述的橡胶跑道卷材底层材料，其特征在于，当纳米材料改性胶粉由橡胶粉依次经过浓盐酸表面刻蚀、硅烷偶联剂表面处理、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛表面接枝得到时，所述橡胶粉、纳米二氧化硅和纳米二氧化钛的重量比为100：0.1-0.3：0.05-0.15。

7.根据权利要求6所述的橡胶跑道卷材底层材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径为20-30nm，所述纳米二氧化钛的粒径为5-10nm。

8.一种如权利要求1所述的橡胶跑道卷材底层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：使用稀盐酸和氢氟酸混合的溶液对橡胶粉进行表面刻蚀处理，然后用清水清洗，除去表面杂质后干燥得到表面有多个凹坑的橡胶粉；

步骤2：将步骤1得到的橡胶粉按照1：10-12的固液比，将橡胶粉浸润在0.5％的硅烷偶联剂乙醇溶液中，于65℃下活化15分钟，取出冷却至室温，静置45分钟后，过滤、乙醇洗涤、干燥，得到表面改性的橡胶粉；

步骤3：将步骤2得到的橡胶粉与纳米二氧化硅和/或纳米二氧化钛充分混合均匀，放入混炼机中混炼4-15min得到纳米材料改性胶粉；

步骤4：将合成橡胶、纳米材料改性胶粉、橡胶油、填料、防老剂、氧化锌、硬脂酸、色粉、石墨粉投入密炼机中，压上顶栓，温度控制在80-120℃，密炼的时间在250-360s后得到A料；将A料降温至70℃时加入硫化剂、促进剂混合然后放入冷却机进行冷却收卷得到B料、将B料从投料口放入螺杆挤出机控制温度在85℃以内挤出得到所述橡胶跑道卷材。