[发明专利]纳米复合材料及其制备方法和硫化橡胶及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料，该纳米复合材料的制备方法，由该 方法制备得到的纳米复合材料，含有该纳米复合材料的硫化橡胶以及该 硫化橡胶的应用。

背景技术

随着世界范围能源危机和环境污染的不断加剧，人们对节能和环保越来 越重视。为了减少燃油的消耗和温室气体的排放，汽车工业也在向着节能和 环保方向发展，而对汽车轮胎的改进是促进汽车节能环保的一个重要方面。 对于此，欧盟于2009年颁布了两项涉及轮胎的新法规，要求最大程度地提 高轮胎安全性和降低噪音的同时还要尽可能的减少油耗。因此，对轮胎胎面 胶同时具有低滚动阻力、良好的抗湿滑性和优异的耐磨性能(“魔鬼三角”性 能)的高性能轮胎的需求越来越迫切。

在具有上述高性能的轮胎的制备工艺中，对轮胎胎面胶所使用的橡胶材 料进行填充配合是极为重要的方面，决定着橡胶材料的性能，并进一步影响 轮胎胎面胶的特性。上世纪九十年代，米其林公司提出了绿色轮胎的理念， Rauling在美国专利US005227425A中公开的白炭黑填充技术已成为轮胎高 性能化的必要技术手段。与炭黑相比，在轮胎中使用白炭黑作为补强剂，可 以显著降低轮胎的滚动阻力，从而降低汽车的油耗，符合节能减排的环境要 求，但是仅仅使用白炭黑增强的橡胶的力学性能和耐磨性能均不够理想。如 果要进一步提高橡胶材料的力学性能和耐磨性能，就必须加大白炭黑的用 量，但这样必然会导致橡胶材料出现动态生热增加、加工性能变差等问题， 很难使众多需要的性能得到较好的平衡。

2004年英国科学家Novoselov和Geim发现了由sp²杂化碳原子连接的 二维蜂窝状单原子层晶体-石墨烯，由于其优异的力学及电学等性能，引起 了学术界和工业界的极大兴趣和广泛关注[Subrahmanyam,K.S.；Vivekchand, S.R.C.；Govindaraj,A.；Rao,C.N.R.J.Mater.Chem.2008,18:1517]。但是， 目前制备的石墨烯很难溶于水或有机溶剂，因此氧化石墨烯被用作纳米填料 以提高聚合物材料的性能。与石墨烯相比，氧化石墨烯一方面保持了石墨烯 特有的纳米结构与极好的力学性能；另一方面，氧化石墨烯表面含有羧基、 羟基和环氧基等多种含氧基团，赋予了氧化石墨烯与极性高分子之间的更强 的界面相互作用[Nakajima,T.；Mabuchi,A.；Hagiwara,R.Carbon1988, 26:357]，同时这些基团也为氧化石墨烯的功能化提供了广阔的空间。由于氧 化石墨烯与非极性高分子的相容性较差，因此通常需要在氧化石墨烯表面接 枝活性有机化合物。JinrongWu[JRWu,GSHuang,HLi,SDWu,YFLiu,J Zheng,Polyemr,54(2013):1930-1937]等人报道了采用硅烷偶联剂修饰的氧化 石墨烯可使天然橡胶材料的力学性能和气体阻隔性得到显著改善。但是采用 该方法表面修饰氧化石墨烯，工艺过程较为繁琐，且需要大量的溶剂，成本 较高。CN102532629A公开了一种完全剥离的氧化石墨烯/橡胶纳米复合材料 的制备方法，该方法采用乳液复合与絮凝工艺相结合，或乳液复合与喷雾干 燥工艺相结合，制备的氧化石墨烯纳米复合材料力学性能、气体阻隔性及耐 磨性优异。CN102604175A公开了氧化石墨烯/白炭黑/橡胶纳米复合材料的 制备方法，该方法采用氧化石墨烯和白炭黑的混合水溶液与橡胶胶乳共混并 进行喷雾干燥制备橡胶纳米复合材料；制备得到的橡胶纳米复合材料具有良 好的气体阻隔性和自愈合能力，但是该方法仅局限于能够采用乳液聚合的分 子结构单元含量单一的橡胶胶乳中，对于采用溶液聚合制备的橡胶，如高性 能轮胎用溶聚丁苯橡胶以及异戊橡胶等则不适用。

综上所述，采用单一填料直接添加到橡胶中以增强橡胶性能的方法难 以确保填料分散均匀和获得高价值和满足日益增加的使用要求的综合性能 良好的橡胶材料，且橡胶乳液共混的方法仅局限于采用乳液聚合的橡胶， 对于溶液聚合的橡胶则不适用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的纳米复合材料的制备工艺繁琐、成 本高，应用范围窄的问题，以及使用现有技术的纳米复合材料制备的橡胶 材料动态生热大、加工性能差，用所述橡胶材料制备得到的轮胎的胎面胶 难以兼顾低滚动阻力、良好的抗湿滑性和高耐磨性能的缺陷，提供一种纳 米复合材料，该纳米复合材料的制备方法，由该方法制备得到的纳米复 合材料，以及含有纳米复合材料的硫化橡胶以及该硫化橡胶的应用。