[发明专利]含凯夫拉纳米纤维的高性能橡胶复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含凯夫拉纳米纤维的高性能橡胶复合材料及其制备方法，通过在一定条件下水热处理凯夫拉纤维，制备凯夫拉纳米纤维水分散液，与XNBR胶乳进行混合后，加入到絮凝剂中，通过共凝聚法制备了含凯夫拉纳米纤维的XNBR混合物，通过加入硫化剂硫化加工，即可得到本发明的含凯夫拉纳米纤维的高力学性能的XNBR复合材料。本发明通过在橡胶中添加凯夫拉纳米纤维，通过胶乳共混法使凯夫拉纳米纤维在橡胶基体中获得良好的分散，同时提高橡胶的力学性能，从而扩大XNBR橡胶的应用范围。

技术领域

本发明属于橡胶类聚合物复合材料制备技术领域，特别是涉及一种含凯夫拉纳米纤维的高力学性能的橡胶复合材料及其制备方法。

背景技术

芳纶纤维（聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）），商品名为凯夫拉纤维，是一种具有超高强度、硬度和热稳定性的材料，在航空航天和汽车制造工业等中有广泛应用，其优异的力学性能也常用来做补强聚合物的填料。凯夫拉纤维分子链基本重复单元为-[-CO-C₆H₄-CONH-C₆H₄NH-]-，酰胺基团在苯环对位上连接，具有强烈的分子间相互作用（如：不同酰胺基团上的羰基与氨基之间的氢键作用以及苯环之间的π-π 堆叠作用），导致了PPTA纤维具有较高的结晶度，与聚合物基体之间的界面粘附力弱，限制了其在复合材料领域的进一步应用。

通过破坏掉凯夫拉纤维之间的氢键作用力，可以制备纳米级凯夫拉纤维。得到的凯夫拉纳米纤维具有高强度、高模量、热稳定性强、质量轻、耐化学腐蚀、阻燃性强、绝缘性好、抗疲劳等诸多优点，对聚合物具有很好的补强效果。文献《ACS nano, 2011, 5(9):6945-6954》首次报道了通过氢氧化钾的去质子化作用，将对位凯夫拉纤维溶解在二甲基亚砜（DMSO）中，得到了长度约为5-10μm，直径为20-30 nm的凯夫拉纳米纤维。文献《Composites Science and Technology, 2017, 144: 193-201》用上述方法所制备的凯夫拉纳米纤维来增强聚乙烯醇等，得到了高强度的聚乙烯醇/凯夫拉纳米纤维复合材料。然而由于凯夫拉纳米纤维只能分散在DMSO溶液中，因此必须通过溶液共混的方法制备聚合物复合材料，大量有机溶剂的使用给环境带来严重危害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含凯夫拉纳米纤维的高力学性能的橡胶复合材料及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种含凯夫拉纳米纤维的羧基丁腈橡胶（XNBR）复合材料，以重量份计，包括如下组分：XNBR100份，防老剂0.5-3份，硫化剂1-4份，凯夫拉纳米纤维1-7份。

进一步的，防老剂选自Wingstay-L（WL）、N-异丙基-N苯基对苯二胺（4010NA)或2，2，4-三甲基-1，2-二氢化喹啉聚合体（RD）的一种或多种。

进一步的，硫化剂选自过氧化二异丙苯（DCP）、二叔丁基过氧化物（DTBP）或双叔丁基过氧化二异丙基苯（BIPB）的一种或多种。

进一步的，凯夫拉纤维采用杜邦公司生产的Kevlar 49纤维。

一种含凯夫拉纳米纤维的XNBR复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，凯夫拉纳米纤维水分散液的制备，在凯夫拉纳米纤维的二甲基亚砜（DMSO）溶液中加入过量的水，直到凯夫拉纤维呈凝胶状完全析出，剧烈搅拌1h以上得到均匀的凝胶状态，抽滤，得到的固体产物，在体积比为1:1到1:5的硝酸和硫酸的混酸中110-140°C进行水热反应1.5-2.5h，再次抽滤，得到的固体产物分散在水中，进行透析，至溶液pH值为7，得到凯夫拉纳米纤维的水分散液，其中，凯夫拉纳米纤维的水分散液中凯夫拉纳米纤维的含量为1-7重量份；