[发明专利]一种制备高分散炭黑/橡胶纳米复合材料的方法

说明书

本发明涉及橡胶材料领域，尤其涉及一种制备高分散炭黑/橡胶纳米复合材料的方法。其所述方法包括以下步骤：将高分散型炭黑配制为炭黑水溶液，向炭黑水溶液中加入偶联剂进行改性处理得到改性溶液，将改性溶液与胶乳混合搅拌并加入絮凝剂，直至絮凝形成固体橡胶，随后清洗并干燥即可得到高分散炭黑/橡胶纳米复合材料。本发明所制得的橡胶复合材料中炭黑分散性良好，呈均匀分散的状态；能够有效降低橡胶的佩恩效应。

技术领域

本发明涉及橡胶材料领域，尤其涉及一种制备高分散炭黑/橡胶纳米复合材料的方法。

背景技术

近年来随着中国政府对环保问题的日益重视，欧盟REACH法和轮胎标签法的相继实施，各级监管部门和广大消费者对轮胎制品的性能提出了更为严格的要求。因此，在保持良好的耐磨性和对干、湿路面高抓着力的基础上，最大限度的降低轮胎滚动阻力，获得低油耗、低碳排放的“绿色轮胎”，已经成为主流的研发方向。如何在提高轮胎制品性能的同时，兼顾安全、经济和环保三个重要方面。在目前的“绿色轮胎”研究中，方向有二：一、通用橡胶的改性与并用；二、基础填料的开发和改性。

界面和分散是影响橡胶纳米复合材料动态力学性能的两大关键因素，决定了诸多动态服役中的橡胶制品如轮胎、传送带、减震垫等的使用性能。为获取理想性能(高增强、低滞后)的橡胶纳米复合材料，需保证强的界面结合和理想的分散结构。炭黑作为最早使用和最基础的橡胶增强填料，由于其优异的性能和较低的价格，仍具有无可替代的地位。然而，炭黑补强橡胶材料时，炭黑与橡胶的表面能存在很大的差异。橡胶的表面张力低，而炭黑则具有较高的表面张力，致使二者在加工混合时缺乏热力学驱动力。同时，炭黑作为无机纳米填料，自身易产生聚集使其表面能降低，通常都是以大的聚集体形态存在。因此，很难使炭黑在橡胶基体中达到较小粒径的聚结体层次的分散效果。如何提高炭黑在橡胶基质中的分散程度，并改善二者间的界面结合，是橡胶工业领域中的关键难题。虽然在该领域，前人已做了大量的工作。但由于纳米填料独特的性状、加工方式、生产成本等因素的局限，目前仍未取得非常理想的结果。

中国专利201810595424.5采用研磨分散的方式，将炭黑粉末研磨成炭黑色浆,并向炭黑色浆中通入臭氧微纳米气泡,以对炭黑进行氧化改性,增强炭黑在水性体系中的分散稳定性。该方法虽然可使炭黑获得良好的分散，且具有良好的稳定性。但是研磨过程中会破坏炭黑聚结体的结构，使部分炭黑原生粒子碎裂，对于橡胶的增强效果会产生一定的影响。

中国专利201811023821.1首先对炭黑表面进行处理使其带上羟基，同时合成一种超支化聚合物，然后加入丙烯酸甲酯对超支化聚合物的支链末端进行改性，合成一种支链末端带双键的超支化聚合物，再将其接枝到炭黑表面。该种具有超支化结构的改性炭黑运用到橡胶加工领域，具有良好的补强效果，能够在橡胶中较为均匀地分散，而且与橡胶相有着更好的界面结合作用，能够显著提升橡胶制品的综合性能。但是，超支化聚合物合成工艺复杂，产量低，成本高，难以大量应用于工业领域。

中国专利201210001294.0通过将橡胶乳液与白炭黑水浆混合得到均匀混合液,利用喷雾干燥雾化工艺形成大量混合液的微小液滴,使得混合液的比表面积显著增加,从而在喷雾干燥装置的干燥介质中快速脱除水分并通过向喷雾干燥载气中引入气化后的絮凝剂,将喷雾干燥工艺与絮凝工艺相结合,使得离子絮凝、快速脱水等过程在同一时间内进行,提高白炭黑橡胶混合液从液相向固相转变过程的速度和效率进而制备得到高分散的白炭黑橡胶纳米复合材料。该方法构思巧妙，也有较高的制备效率，但是胶料与絮凝剂同时干燥，絮凝剂难以除去，对后续胶料的使用性能会造成一定的影响。

发明内容

为解决现有的炭黑填充橡胶中由于炭黑和橡胶表面能存在较大的差异，二者在加工混合时缺乏热力学驱动力，导致炭黑容易发生团聚，整体在橡胶中分散性较差，难以达到较小粒径的聚结体层次分散，进而产生二者间的界面结合效果差等问题，本发明提供了一种制备高分散炭黑/橡胶纳米复合材料的方法。本发明的目的在于：一、提高炭黑在橡胶中的分散性能；二、通过橡胶分子链将均匀分散的炭黑聚结体牢牢地包裹起来，避免炭黑聚结体的重新聚集，进一步促进炭黑的分散。