[发明专利]一种炭黑用偶联剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种炭黑用偶联剂，该炭黑用偶联剂中同时含有巯基和氨基的双亲性偶联剂，可以有效提升炭黑在橡胶/炭黑纳米复合材料中的分散程度，并且可以构建炭黑/橡胶分子链间的化学结合，同时在使用过程中并不会产生VOC排放，提升炭黑/橡胶纳米复合材料的动态性能，降低炭黑粒子间的摩擦和炭黑粒子和橡胶分子链的摩擦，有效降低材料的损耗，降低滚动阻力。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种炭黑用偶联剂，以及该偶联剂的制备方法及应用。

背景技术

炭黑是橡胶纳米复合材料中应用最为广泛的一种补强剂，使用炭黑补强的橡胶强度大幅提升，而且耐磨性能良好。橡胶/炭黑纳米复合材料的优异耐磨性能，使得它在轮胎行业有很广泛的应用。但是随着近年来国际原油价格上涨，污染、环保问题逐渐得到人们的重视，

传统炭黑/橡胶纳米复合材料配方中，炭黑在混炼阶段被混炼设备的剪切力破碎分散在橡胶基体中，靠范德华力和物理吸附和橡胶分子链发生结合。当材料受力发生形变后，由于分子链和粒子界面间的滑移吸收、耗散能量，转化为生热，当应力移除后，二者重新吸附。所以炭黑/橡胶纳米复合材料的耐磨性能好，但是损耗较大，动态生热较高，用作轮胎材料时油耗更大。

而且由于原油价格上涨，炭黑的成本也在上升，其应用面较广的胎面胶领域也逐渐被橡胶/白炭黑纳米复合材料所侵占。白炭黑/橡胶纳米复合材料中必须使用硅烷偶联剂，因为白炭黑表面的极性基团羟基含量大，和非极性的橡胶分子链结合差，在橡胶基体中极易团聚，不能起到补强的作用。使用硅烷偶联剂后白炭黑表面被改性，改善分散，而且在硫化过程中参与交联，在白炭黑表面和橡胶分子链之间形成化学结合。当材料受力发生形变后，一部分白炭黑/橡胶分子链之间的化学键受力断裂，相对应的，内摩擦发生的较少，故白炭黑/橡胶纳米复合材料的损耗较低，动态生热低，但是用作轮胎材料时耐磨性能很差。

目前研究者们也开始为炭黑/橡胶纳米复合材料开发偶联剂，让炭黑和橡胶分子链之间产生化学结合，利用炭黑表面的强吸附作用和化学基团，让炭黑和分子链之间既有物理吸附也有化学结合，兼顾耐磨性能与低耗性

中国专利CN1935888A中报道了使用一种连续液相混炼的方式制备橡胶纳米复合材料，但是该种方法需要全新的设备，无法使用现有设备进行改造，难以大规模推广使用。

中国专利CN103703071A中报道了利用一种含有苯并咪唑基、苯并噁唑基及苯并噻唑基的硫醚类化合物作为橡胶/炭黑用偶联剂并且制备了轮胎用橡胶组合物，可以在不降低轮胎抗湿滑性能的同时提升降低轮胎的能耗。

中国专利CN109749129A中报道了利用一种同时含有硅烷氧基、氨基的可以同时改性炭黑、白炭黑的多功能型硅烷偶联剂，使用在炭黑/白炭黑/橡胶纳米复合材料中可以提升材料的定伸应力、断裂伸长率以，并且降低了能耗，但是合成方法中涉及到材料的多步处理，较为繁琐。

发明内容

本发明涉及一种橡胶/炭黑用偶联剂的合成方法及其在天然橡胶/炭黑纳米复合材料中的应用。通过在混炼过程中将该种偶联剂与炭黑一起加入，可以有效提升炭黑在橡胶纳米复合材料中的分散，降低炭黑粒子间的摩擦和炭黑粒子和橡胶分子链的摩擦，有效降低材料的损耗，降低滚动阻力。

本发明的目的之一在于提供一种炭黑用偶联剂，其结构式为 HS—R²—Si(OR¹NH₂)_X(OC_nH_2n+1)_3-X

式中，R¹为碳原子数为1～20的饱和或不饱和的脂肪烃基或芳烃基，优选为碳原子数为2～12的饱和或不饱和的脂肪烃基或芳烃基，更优选选自亚乙基、亚丙基、亚丁基、苯基亚乙基、苯基亚丙基、苯基亚丁基中的至少一种；R²为碳原子数为1～15的饱和烷基链；n＝1～15；X＝1～3。