一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶及其制备方法和应用

本发明涉及橡胶材料，进一步地说，是涉及一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、工程轮胎即在工程机械上所使用的轮胎，如挖掘机、推土机、压路机、装载机等工程机械上所使用的轮胎均称为工程轮胎。工程轮胎相比较于普通汽车轮胎的性能要求差别较大，其对轮胎的速度要求以及生热量要求较低。但由于大部分工程轮胎的使用条件均较为苛刻，如建筑工地、矿场、废墟等场所，负荷较大且使用场地尖锐的石块等硬物较多，所以工程轮胎对其耐切割性能、耐撕裂性能、耐刺扎性能、耐磨性能以及其模量要求较高。

2、在工程机械轮胎生产中，添加橡胶助剂是提高其性能的主要手段。随着纳米科学与技术的进步，诸多纳米材料如纳米纤维素、碳纳米管、石墨烯纳米片和金属纳米线等逐渐进入人们的视野。基于特殊的纳米效应，纳米材料表现出常规宏观材料所不具有的物理或化学特性，在各个科学领域得到了飞速的发展。其中，以高性能纳米构筑基元如芳纶纳米纤维为主体的纳米材料是当下研究的热点之一。自此，纳米芳纶短纤维作为一种高性能填料或者纳米构筑单元引起了广大研究学者的关注，由其所制备的纳米材料在复合增强领域显示出一定的应用潜能和发展前景。

3、针对芳纶纳米短纤维具备的增强复合材料性能的特点，芳纶纳米短纤维填充橡胶意在解决这一问题。但芳纶纳米短纤维结构与芳纶纤维近似，表面具有强极性，且酰胺键被苯环隔离，两者形成共轭π键，分子内旋位能较高，使其呈现刚性直链，从而导致了若将其不经处理直接填充至橡胶基体容易发生团聚，产生应力集中，使得胶料的各项性能下降等问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶及其制备方法和应用。本发明利用芳纶纳米短纤维独特的复合增强性能，将其制备成预分散母胶并填充到工程胎胎面胶中，有效解决了工程胎胎面胶裂纹扩展、崩花掉块的问题。实验结果显示芳纶纳米短纤维在橡胶基体中分散良好，胎面胶的抗裂纹扩展性能提高约50％，抗崩花掉块性能提高约30％。

2、本发明的目的之一是提供一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶，所述预分散母胶是由包括以下组分的原料制备得到：

3、芳纶纳米短纤维、分散剂、异氰酸酯、环氧树脂、浸胶液和橡胶乳液；

4、各组分按重量份数计：

5、

6、优选的，各组分按重量份数计：

7、

8、所述芳纶纳米短纤维为由山东京博聚芳新材料有限公司提供的浓度在2-3wt％的芳纶纳米短纤维滤饼，直径范围在10-100nm内，长径比在3000左右。

9、优选的，所述分散剂为聚氧化乙烯、聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一种。

10、优选的，所述浸胶液为丁吡浸胶液、天然浸胶液、丁苯浸胶液中的至少一种。

11、优选的，所述橡胶乳液为丁吡胶乳、天然胶乳、丁苯胶乳中的至少一种，优选橡胶乳液浓度为40-60wt％。

12、本发明的目的之二是提供一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶的制备方法，所述方法包括：

13、所述组分按所述重量份数经超声处理、乳液絮凝和高温热处理得到所述预分散母胶。

14、适当的超声波处理可以有效地提高芳纶纤维在溶液中的分散性。原因是当超声波在液体中传播时，溶液中发生空化作用导致局部产生高温、高压，降低了溶液的界面张力，减小了自由基的体积，从而有效地阻止了纤维的团聚，使得其在水相中分散地更加均匀；与传统干法混炼相比，乳液絮凝工艺不仅可以提高填料在橡胶基体中的分散性，还可以缩短混炼时间，减小加工过程对橡胶分子链和填料的破坏，从而提高复合材料的综合性能。因此，在超声处理的基础上，再接着采用乳液絮凝工艺进一步预分散纳米芳纶短纤维，使其能够更好的与填充橡胶相结合。

15、优选的，所述方法包括：

16、(1)超声处理：将芳纶纳米短纤维和分散剂分散于溶剂中，制成悬浮液，将异氰酸酯、环氧树脂和浸胶液滴加到悬浮液中超声搅拌，再滴加橡胶乳液，得到分散液；

17、(2)乳液絮凝：将所述分散液倒入氯化钙溶液中絮凝，过滤得到预分散体；

18、(3)高温热处理：将所述预分散体高温热处理，烘干后得到所述预分散母胶。

19、优选的，步骤(1)中所述悬浮液浓度为0.4-0.5wt％，超声功率为50-90w，超声时间为30-50min，搅拌转速为300-600r/min；

20、步骤(2)中所述氯化钙溶液浓度为2-6wt％；氯化钙溶液用量相对于分散液的重量份数为2000-3000重量份；通过将分散液倒入氯化钙溶液中搅拌，胶乳发生絮凝现象，直至其不再产生即可停止搅拌；

21、步骤(3)中所述高温热处理温度为170-175℃，处理时间为5-9min，烘干温度为50-70℃。

22、具体可采用以下技术方案：

23、(1)将芳纶纳米短纤维和分散剂按照一定配比分散于水中，制成悬浮液，所制备的悬浮液浓度为0.4-0.5wt％；

24、(2)将异氰酸酯、环氧树脂、浸胶液逐步滴加到悬浮液中并超声搅拌，随后将橡胶乳液滴加到超声搅拌的悬浮液中得到分散液；

25、(3)将分散液倒入不断搅拌的2-6wt％氯化钙溶液中絮凝，搅拌转速为200-500r/min，过滤得到预分散体；

26、(4)将预分散体高温热处理，高温范围为170-175℃之间，处理时间为5-9min，使得环氧-异氰体系反应完全，最后烘干，烘干可以采用鼓风干燥箱50-70℃干燥或真空干燥，得到预分散母胶。

27、本发明的目的之三是提供一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶在制备胎面胶中的应用，将所述预分散母胶与橡胶混炼、硫化后得到所述胎面胶。

28、优选的，所述预分散母胶与橡胶质量比为(1-3)：100。

29、具体填充橡胶得配方如下：

30、天然烟片胶100重量份、预分散母胶1-3重量份、氧化锌5-7重量份、硬脂酸1-3重量份、防老剂3-5重量份、促进剂1.2-1.7重量份、硫磺1.5-2重量份、环烷油5-7重量份和炭黑n330 50-70重量份。

31、本发明采用具有特殊的高模量高强度特性的芳纶纳米短纤维，可以作为优秀的补强填料应用于工程胎胎面胶的配方中，具有提升耐动态切割及抗裂纹扩展的性能；通过超声处理、乳液絮凝的处理方式，提高了芳纶纳米短纤维的分散性，采用环氧-异氰体系以及浸胶液对芳纶纳米短纤维表面进行改性处理，在纤维表面形成交联网状结构，增加了纤维与橡胶分子链的结合力，使得制备得到的预分散母胶填充橡胶在耐动态切割、抗裂纹扩展性能上具备较好效果，使得预分散母胶填充工程胎胎面胶的抗裂纹扩展性能、抗崩花掉块性能明显提升。实验结果显示芳纶纳米短纤维在橡胶基体中分散良好，胎面胶的抗裂纹扩展性能提高约50％、抗崩花掉块性能提高约30％。

技术特征：

1.一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶，其特征在于所述预分散母胶是由包括以下组分的原料制备得到：

2.如权利要求1所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶，其特征在于：

3.如权利要求1所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶，其特征在于：所述分散剂为聚氧化乙烯、聚丙烯酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一种。

4.如权利要求1所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶，其特征在于：所述浸胶液为丁吡浸胶液、天然浸胶液、丁苯浸胶液中的至少一种。

5.如权利要求1所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶，其特征在于：所述橡胶乳液为丁吡胶乳、天然胶乳、丁苯胶乳中的至少一种，优选橡胶乳液浓度为40-60wt％。

6.一种如权利要求1-5任一所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶的制备方法，其特征在于所述方法包括：

7.如权利要求6所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶的制备方法，其特征在于所述方法包括：

8.如权利要求7所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶的制备方法，其特征在于：

9.一种如权利要求1-5任一所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶在制备胎面胶中的应用，其特征在于：

10.如权利要求9所述的高活性纳米芳纶纤维预分散母胶在制备胎面胶中的应用，其特征在于：所述预分散母胶与橡胶质量比为(1-3)：100。

技术总结
本发明公开了一种高活性纳米芳纶纤维预分散母胶及其制备方法和应用，涉及橡胶材料技术领域，所述预分散母胶是由包括以下组分的原料制备得到：芳纶纳米短纤维、分散剂、异氰酸酯、环氧树脂、浸胶液和橡胶乳液；各组分按重量份数计：芳纶纳米短纤维100重量份；分散剂2‑7重量份；异氰酸酯2‑5重量份；环氧树脂1‑3重量份；浸胶液40‑80重量份；橡胶乳液30‑80重量份。本发明采用具有特殊的高模量高强度特性的芳纶纳米短纤维，可以作为优秀的补强填料应用于工程胎胎面胶的配方中，具有提升耐动态切割及抗裂纹扩展的性能。

技术研发人员：吴卫东,王佳成,严浩东
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15