[发明专利]一种高模量、低生热的碳纳米管/橡胶复合材料制备方法

说明书

技术领域

本发明属于橡胶纳米复合材料技术领域，特别是一种高模量、低生热的碳纳米管/橡胶复合材料制备方法。

背景技术

橡胶因其良好的弹性、绝缘性、气密性等广泛地运用于制备汽车轮胎、运输传送带、各种封密器件等。但随着科学技术的发展，橡胶应用领域的不断扩展，人们对于橡胶强度及功能性也提出了更高更多的要求。

碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)，指的是由一层或多层石墨片按照一定螺旋角卷曲而成的、直径为纳米级的无缝管状物质。碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能，且密度低、结构稳定性好，因而在应用于电子、航空等不同领域显示出良好的应用前景。而橡胶借助碳纳米管高强度、高导电导热性能来补强或功能化材料的研究在近些年发展尤为迅速。然而其在实际应用中发挥的作用并没有预期的那样明显，这一方面是由于碳管分子间强的范德华作用力使其极易产生自缠绕和团聚现象，Fritzsche等人(Macromolecular Materials and Engineering 2009, 294 (9), 551-560)发现由于CNTs自身的团聚现象造成其对天然橡胶的补强效果并不明显，因此有必要引进一种具有一维取向排列结构的、相互之间缠结少的、有助于分散的新型碳纳米管。另一方面是因为碳管表面非常惰性，这就导致其与橡胶基体极差的相容性。Nah等人(Journal of Applied Polymer Science 2010, 118 (3), 1574-1581)通过将碳纳米管/天然橡胶复合材料弯曲变形后的表面置于扫描电镜下观察，结果发现碳纳米管在一段时间后逐渐地在表面突显出来。而当撤去形变再次观察同样的表面时，发现碳纳米管又重新缩回基体的内部。由此证明了碳纳米管与橡胶间相当弱的界面结合。为此，人们提出通过对CNTs表面功能化的方法来提高其在基体中的相容性。目前应用于CNTs功能化的方法主要有共价功能化和非共价功能化，这些方法均不同程度的存在官能化程度低、对CNTs的固有结构有较大破坏及补强效果不明显等缺点，因此有必要开发一种新的碳纳米管功能化方法。

另外，由于橡胶材料很多都是在动态条件下使用的，如汽车轮胎、运输传送带、动态密封圈等，动态滞后损失较大。将碳纳米管加入到橡胶材料中，除了在导热方面有一定程度的提高外，还要保证有较低的生热，以确保材料能够长期稳定的运转，在前人的研究中尚未提到这个问题。由于碳纳米管在橡胶基体中以较长的管的形式存在，在动态运行中反复摩擦，致使生热较大。因此需要提供一种新的高模量、低生热的碳纳米管/橡胶复合材料制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的高模量、低生热的碳纳米管/橡胶复合材料制备方法。具体而言，利用等离子体改性的方法在碳纳米管表面沉积一层1~2nm的聚丙烯酸无定形层，将这种改性后的碳纳米管与硅烷偶联剂通过机械共混的方法加入到橡胶中，并采用高温状态下热辊处理的技术进一步增强其界面结合作用，并提高分散；高温高压状态下硫化得到的碳纳米管/橡胶复合材料具有高模量、低生热的特性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

(1).将碳纳米管置于等离子体反应容器中，抽真空至10-50Pa，通入氩气或者氧气，调节腔室压力为10-70Pa，预热时间2-7分钟；后于功率30-100W下辉光放电处理2-15min，停止辉光放电反应，取出碳纳米管，空气中停放1-10分钟；

(2).在容器中，依次加入水或苯类溶剂、丙烯酸、过硫酸铵、碳纳米管，于50~120℃下搅拌10~30h；所得产物离心，取下层固体，并用丙酮洗涤3~5次直至纯净，于60-100℃下真空干燥12-48小时，即完成对碳纳米管的改性。

(3). 采用机械共混法，将硅烷偶联剂和改性后的碳纳米管加入到橡胶中，停放1~5h；将上述得到的混炼胶在90~180℃的开炼机上进行热辊处理，处理时间为2~10分钟。将氧化锌、硬脂酸、促进剂、防老剂、硫黄利用机械共混的方法加入到上述橡胶纳米复合材料中。

本发明所采用的样品用量为，碳纳米管用量为单位质量1，丙烯酸与碳纳米管用量质量比为15:1~30:1，过硫酸铵与碳纳米管用量质量比为0.1:1~0.5:1，反应温度50~120℃，反应时间为10~30h；

本发明所选用的橡胶是天然橡胶、聚异戊二烯橡胶、丁苯橡胶或顺丁橡胶。