一种二维定向排列填充橡胶复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料领域，尤其是一种二维定向排列填充橡胶复合材料及其制备方法。

背景技术：

具有一维、二维结构的碳材料如石墨烯、碳纳米管通常具有优异的导电性能，传统的混炼方式制备方法使得这些材料在橡胶基体中呈现各向同性，其优异的导电性能难以充分发挥。

技术实现要素：

本发明的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种二维定向排列填充橡胶复合材料及其制备方法，使得碳材料在橡胶基体中定向排列，显著改善了复合材料在二维方向上的的导电性能。本发明采用的技术方案是：

一种二维定向排列填充橡胶复合材料，其中，包括如下重量份的原料：橡胶100份、填料30～60份、碳材料1～10份、zno3～5份、硬脂酸2～3份、增塑剂1～10份、防老剂2～3份、硫磺1～2份、促进剂1～2份。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料，其中，所述碳材料具有一维结构或者二维结构。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料，其中，所述碳材料选自碳纳米管、碳纤维粉、石墨烯中的一种或者两种；所述碳纳米管、碳纤维粉的长径比大于50。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料，其中，所述填料选自炭黑、白炭黑中的一种或者两种。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料，其中，所述增塑剂为芳烃油或石油树脂。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料，其中，所述防老剂选自防老剂4020、防老剂rd中的一种或者两种；所述促进剂为促进剂ns、促进剂cz、促进剂d、促进剂dm中的一种。

一种二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法，其中，包括如下步骤：

1)按重量份计，依次将橡胶100份、填料30～60份、zno3～5份、硬脂酸2～3份、增塑剂1～10份、防老剂2～3份加入混炼设备中进行母炼，得到母胶；

2)将母胶加入混炼设备中，依次加入硫磺1.0～2份、促进剂1～2份进行终炼得到复合材料胶料。

3)将复合材料胶料薄通，控制辊距，下片得到胶片，然后将胶片上表面的一半均匀分散碳材料，将不含碳材料的胶片上表面对折并覆盖在含碳材料的胶片表面，压紧，控制开炼机辊距，将对折胶片重新下片，重新调整辊距，再下片，如此重复数次，得到目标厚度的胶片后进行硫化，得到二维定向排列填充橡胶复合材料。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法，其中，所述混炼设备为密炼机或开炼机。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法，其中，所述当密炼设备为密炼机时，步骤1)母炼的时间为2～4min，在150～160℃条件下排胶，得到母胶；步骤2)控制母胶加入密炼机的填充系数为70％～75％，控制终炼时的排胶温度为100～110℃，得到所述橡胶复合材料胶料。

优选的是，所述的二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法，其中，所述当密炼设备为开炼机时，在步骤1)之前还进行将橡胶加入开炼机塑化、包辊的步骤；步骤1)母炼具体为将橡胶、填料、zno、硬脂酸、增塑剂、防老剂粉料混入后，左右切刀，打三角包，下片得到母胶；步骤1)和步骤2)之间还进行将母胶在开炼机包辊的步骤；步骤2)终炼具体为：将硫磺、促进剂加入开炼机，控制开炼机左右各切三刀，打6个三角包，下片，得到复合材料胶料。

本发明的优点：本发明的二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法制备的橡胶复合材料，该材料使得一维、二维结构的碳材料在橡胶基体中定向排列，显著改善了复合材料在二维方向上的的导电性能，并且抗拉性能、撕裂强度显著改善。

附图说明

图1为本发明实施例1～3制备的橡胶复合材料的碳材料排列。

图2为本发明对比例1～3制备的橡胶复合材料的碳材料排列。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种二维定向排列填充橡胶复合材料，原料配例按重量份数计如下：丁苯橡胶100份、炭黑n23440份、碳纤维粉(长径比80)10份、zno3份、硬脂酸2份、芳烃油1份、防老剂40202份、硫磺1.5份、促进剂1.5份。

所述二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法采用开炼机制备：

1)母炼：将丁苯橡胶加入开炼机塑化，包辊，依次加入丁苯橡胶100份、炭黑n23440份、zno3份、硬脂酸1.5份、芳烃油1份、防老剂40202份，待粉料全部混入，左右切刀，打三角包，下片，得到母胶；

2)终炼：将母胶在开炼机包辊，依次加入硫磺2份、促进剂1份，待吃粉完成后，左右各切三刀，打6个三角包，调整辊距，控制下片厚度5mm左右，下片，得到复合材料胶料；

3)将复合材料胶料薄通，控制辊距，下片得到胶片，将10份碳纤维粉均匀分散于胶片的一半表面，将不含碳纤维粉的一半对折、覆盖于含碳纤维粉的另一半表面，压紧；调整开炼机辊距，将对折的胶片以水平方式放入辊间距，控制下片厚度为7mm左右；再次减小辊距，保持使得下片厚度保持在5mm左右，下片；再次调整开炼机辊距，将下片的胶料再次沿水平方向投入开炼机滚筒间，下片，控制胶片厚度3mm左右，得到胶料。经硫化，得到定向排列碳纤维粉橡胶复合材料。

实施例2

一种二维定向排列填充橡胶复合材料，原料配例按重量份数计如下：天然橡胶100份、炭黑n13430份、石墨烯5份、zno5份、硬脂酸3份、树脂2份、防老剂rd1.5份、硫磺2份、促进剂1份。

所述二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法采用密炼机制备：

1)母炼：按重量份数计，依次将天然橡胶100份、炭黑n13430份、zno5份、硬脂酸3份、树脂2份、防老剂rd1.5份加入密炼机中，保持填充系数70％％，炼胶时间为3～4min，于150～160℃条件下排胶，得到母胶；

2)终炼：将步骤(1)所得母胶加入密炼机中，密炼机的填充系数为70％，继续加入硫磺2份、促进剂1份，排胶温度为100～110℃，控制下片厚度5mm左右，下片得到复合材料胶料；

3)将复合材料胶料薄通，控制辊距，下片得到胶片，将5份石墨烯均匀分散于胶片的一半表面，将不含石墨烯的一半对折、覆盖于含碳材料的另一半表面，压紧；调整开炼机辊距，将对折的胶片以水平方式放入辊间距，控制下片厚度为7mm左右；再次减小辊距，保持使得下片厚度保持在5mm左右，下片；再次调整开炼机辊距，将下片的胶料再次沿水平方向投入开炼机滚筒间，下片，控制胶片厚度3mm左右，得到胶料。经151℃*30min硫化，得到定向排列石墨烯橡胶复合材料。

实施例3

一种二维定向排列填充橡胶复合材料，原料配例按重量份数计如下：乙丙橡胶100份、炭黑n37560份、碳纳米管(长径比：100)8份、zno5份、硬脂酸2份、芳烃油6份、防老剂40201.5份、硫磺1份、促进剂1.5份。

所述二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法采用开炼机制备：

1)母炼：将乙丙橡胶加入开炼机塑化，包辊，依次加入：乙丙橡胶100份、炭黑n37560份、zno5份、硬脂酸2份、芳烃油6份、防老剂40201.5份，待粉料全部混入，左右切刀，打三角包，下片得到母胶；

2)终炼：将母胶在开炼机包辊，依次加入硫磺1份、促进剂1.5份，待吃粉完成后，左右各切三刀，打6个三角包，调整辊距，控制下片厚度5mm左右，下片得到复合材料胶料；

3)将复合材料胶料薄通，控制辊距，下片得到胶片，将8份碳纳米管均匀分散于胶片的一半表面，将不含碳纳米管的一半对折、覆盖于含碳纳米管的另一半表面，压紧；调整开炼机辊距，将对折的胶片以水平方式放入辊间距，控制下片厚度为7mm左右；再次减小辊距，保持使得下片厚度保持在5mm左右，下片；再次调整开炼机辊距，将下片的胶料再次沿水平方向投入开炼机滚筒间，下片，控制胶片厚度3mm左右，得到胶料。经151℃*30min硫化，得到定向排列碳纳米管橡胶复合材料。

对比例1：

一种二维定向排列填充橡胶复合材料，原料配例按重量份数计如下：丁苯橡胶100份、炭黑n23440份、碳纤维粉(长径比：80)10份、zno3份、硬脂酸2份、芳烃油1份、防老剂40202份、硫磺1.5份、促进剂1.5份。

所述二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法采用开炼机制备：

1)母炼：将丁苯橡胶加入开炼机塑化，包辊，依次加入丁苯橡胶100份、炭黑n23440份、zno3份、硬脂酸1.5份、芳烃油1份、防老剂40202份、碳纤维粉10份，待粉料全部混入，左右切刀，打三角包，下片，得到母胶；

2)终炼：将母胶在开炼机包辊，依次加入硫磺2份、促进剂1份，待吃粉完成后，左右各切三刀，打6个三角包，调整辊距，控制下片厚度5mm左右，下片，得到复合材料胶料。

3)在开炼机上将复合材料胶料薄通，控制辊距，下片得到橡胶复合材料。

对比例2：

一种二维定向排列填充橡胶复合材料，原料配例按重量份数计如下：天然橡胶100份、炭黑n13430份、石墨烯5份、zno5份、硬脂酸3份、树脂2份、防老剂rd1.5份、硫磺2份、促进剂1份。

所述二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法采用密炼机制备：

1)母炼：按重量份数计，依次将天然橡胶100份、炭黑n13430份、zno5份、硬脂酸3份、树脂2份、防老剂rd1.5份、石墨烯5份加入密炼机中，保持填充系数70％％，炼胶时间为3～4min，于150～160℃条件下排胶，得到母胶；

2)终炼：将步骤(1)所得母胶加入密炼机中，密炼机的填充系数为70％，继续加入硫磺2份、促进剂1份，排胶温度为100～110℃，控制下片厚度5mm左右，下片，得到复合材料胶料；

3)将复合材料胶料薄通，控制辊距，下片得到橡胶复合材料。

对比例3：

一种二维定向排列填充橡胶复合材料，原料配例按重量份数计如下：乙丙橡胶100份、炭黑n37560份、碳纳米管(长径比：100)8份、zno5份、硬脂酸2份、芳烃油6份、防老剂40201.5份、硫磺1份、促进剂1.5份。

所述二维定向排列填充橡胶复合材料的制备方法采用开炼机制备：

1)母炼：将乙丙橡胶加入开炼机塑化，包辊，依次加入：乙丙橡胶100份、炭黑n37560份、zno5份、硬脂酸2份、芳烃油6份、防老剂40201.5份、碳纳米管8份，待粉料全部混入，左右切刀，打三角包，下片，得到母胶；

2)终炼：将母胶在开炼机包辊，依次加入硫磺1份、促进剂1.5份，待吃粉完成后，左右各切三刀，打6个三角包，调整辊距，控制下片厚度5mm左右，下片，得到复合材料胶料；

3)将复合材料胶料薄通，控制辊距，下片得到橡胶复合材料。

下面列出实施例1～3和对比例1～3的性能测试结果如表1：

表1

如表1所示，对比例1-3分别对应实施例1-3，不同的是对比例1～3材料在制备过程中将碳材料在母胶混炼时与小料、炭黑、橡胶共同加入密炼机进行混炼，制备得到的复合材料，与实施例相比，本发明提供的的制备方法制备的材料的抗拉性能、撕裂强度以及导电性能显著改善。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。