[发明专利]一种耐磨橡胶复合材料

说明书

技术领域

本发明属于新型碳材料和橡胶的复合材料，特别是高耐磨性的碳微球-碳纳米管-橡胶复合材料。

背景技术

对于以沥青基中间相石墨碳微球为耐磨剂，碳纳米管为增强剂制备具有良好的耐磨性能的橡胶复合材料的研究在国内外还未见相应的报道，以下对本发明的相关研究背景进行简要的说明。

耐磨橡胶材料因自身具备独特的功能性，已发展成为新型材料领域中的一支主力军。几乎所有的橡胶在加工过程中都必须加入一定量的填充剂才能用来制备有用的橡胶制品。填充剂习惯上根据对生胶料性能的影响分为两大类：一类是活性填充剂或称为补强剂，能够提高橡胶的耐磨耗性、模量、抗张强度、抗撕裂性及耐疲劳性；另一类是非活性填充剂或称为惰性填充剂，其对橡胶没有补强作用，但却能在基本不损害橡胶性能的前提下，降低成本，改善加工性能。目前，在橡胶工业中广泛使用的填充剂主要有炭黑、白炭黑、纤维、氧化钙及陶土等无机物。炭黑作为橡胶补强材料是应用最早的工业粉体材料，一直应用于世界橡胶工业；随着橡胶工业的快速发展及行业要求，研究人员对非炭黑橡胶补强剂的应用效果和性能研究日益增多，其中以白炭黑为最，与炭黑相比，白炭黑粒子更细，比表面更大，因此其硫化胶的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性较高，但白炭黑由于表面极性使其补强效果和加工性能不如炭黑。近年来，随着纳米材料快速崛起，由于纳米材料特殊的尺寸和表面积效应，纳米材料（如纳米SiC、纳米CaO等）增强橡胶在性能改善等方面具有较大的潜力和应用前景。国内外学者曾在这方面进行了研究。一些纳米橡胶复合材料中的纳米粒子材料如SiO₂、TiO₂、ZnO、Al₂O₃、白炭黑、云母以及稀土颗粒等对橡胶的抗老化及强度等性能均有一定的改善，但对橡胶的耐磨性能的改善不是很理想。碳系材料作为轮胎橡胶填料具有较好耐磨性，其中碳纳米材料相对于传统碳材料如炭黑、膨胀石墨等更具有提高耐磨等性能的潜力。如S.Cantoumet等人在期刊《J. Mechanics and Physics of Solids》上报导了碳纳米管增强丁苯橡胶复合材料制备研究，确定碳纳米管质量份数对所得复合材料形变的影响。随着碳纳米管含量的增加，刚度上升，大应变处产生的刚性增加。添加碳纳米管也使得拉伸强度和断裂伸长提高；周详文等人在期刊《Materials Research Bulletin》上报道了采用喷雾干燥法分别制备了碳纳米管和炭黑填充丁腈粉末橡胶复合材料。实验结果显示，碳纳米管/丁腈复合材料的动态力学性能和基本力学性能优于炭黑/丁腈橡胶复合材料。断裂结构证实碳纳米管和橡胶基体间的粘结性很强，力学性测试得知负载可以有效地传递到碳纳米管。而且，碳纳米管分散良好的橡胶粉末复合材料可作为其他高聚物良好的填料；陈晓红等人在期刊《新型炭材料》发表论文报道了碳纳米管/橡胶复合材料制备研究，并与炭黑补强橡胶体系进行对比，并探讨了该材料的微观结构与性能之间的关系。结果表明:随着碳纳米管质量百分比含量的增加，橡胶复合材料的力学性能随之增加；碳纳米管/橡胶复合材料的抗撕裂强度、硬度、磨耗性能较炭黑/橡胶体系要好。

由于单一的碳微球或碳纳米管不能同时满足高拉伸和耐磨性能，基于此本专利提出同时添加碳纳米管及碳微球制备复合耐磨橡胶，使两种填料对复合材料的协同增强作用，以期获得高性能橡胶复合材料对轮胎长寿命、耐高低温、耐高负荷的要求，有望实现该复合橡胶在高端领域上得到应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种以天然橡胶或合成橡胶为基体，采用沥青基中间相石墨碳微球为耐磨剂，碳纳米管为增强剂的配合来实现高耐磨橡胶复合材料的制备。

本发明的技术方案如下：

选取沥青基中间相石墨碳微球为耐磨剂，碳纳米管为增强剂，制备橡胶复合材料，其配方含有：生橡胶 100份，硫磺3份，促进剂M1份，氧化锌5份，硬脂酸2份，碳微球30~50份，碳纳米管2~6份。将原料在混炼机进行混料，混料温度为70~80℃，混料时间为2~3h。将混炼均匀的生料在硫化机上进行硫化，硫化温度150~160℃，硫化压力10MPa，硫化时间为30min。

本发明的优越性：

(1) 本发明是一种采用以沥青基中间相石墨碳微球为耐磨剂制备橡胶复合材料的方法。通过降低复合材料摩擦系数，提高材料的耐磨性能，延长材料的使用寿命，具有很大的实用价值。

(2) 本发明是一种采用以碳纳米管为增强剂制备橡胶复合材料的方法。通过添加碳纳米管增强橡胶抗拉伸等力学性能，提高材料的应用性，具有很大的实用价值。