专利名称：玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法及其复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及化工产品生产领域，具体涉及一种玻璃质酸性熔岩微粉的有机交联改 性方法，及采用该方法制作的一种新型玻璃质酸性熔岩/双功能硫-硅烷偶联复合材料，主 要用于橡胶等的补强剂和增强性填料。
背景技术：
天然橡胶和合成橡胶是橡胶工艺的主体材料，但它们本身的强度都很低，力学性 能很差。在生胶中加入补强剂，可以显著提高硫化胶的力学性能，使之成为具有广泛用途的 弹性材料。补强剂中用量最大、最普遍是碳黑和白碳黑。橡胶工业还大量使用非金属矿物材料作填充剂(填料)，其用量约占橡胶用量的 1/4。矿物填料加入橡胶后，主要起增容增量作用，有时还兼有补强、隔离、脱模或着色的作 用。使用这些填料的目的，主要是降低橡胶制品的生产成本，改善工艺性能，提高生产效率。白碳黑是一种人工合成的无定形二氧化硅超微粒子填料。化学名称称水合二氧化 硅(hgdrous silica)，分子式SiO2TiH2O15白碳黑在橡胶工业中是最佳白色补强填料，在白 色和浅色填料中补强性能和表面活性优异，广泛用于橡胶鞋底、轮胎、胶管、胶带、胶辊、橡 胶密封件等产品。白碳黑目前在橡胶、塑料制品等行业的需求量已超过60万吨/年。由于 白碳黑制造工艺比较复杂，成本高，目前的市场售价一股为4000元 15000元/吨，让使用 企业难以接受，往往用性能差的矿物填料替代，而造成橡胶、塑料制品的质量不高。另外在 白碳黑的制造过程中还存在环境污染的严重问题。因此，有必要设计一种能够替代白碳黑的主要用于橡胶等的补强剂和增强性填料 及其制备方法，以满足橡胶工业的生产需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种玻璃质酸性熔岩微粉与双功能硫-硅烷偶联剂 (Si75 [双(三乙氧基硅基丙基)二硫化物]，或Si-69[双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四 硫化物])的交联改性方法，其目的是用天然的岩石经本方法制作一种新型的玻璃质酸性 熔岩/双功能硅烷偶联剂复合材料，用于橡胶等的补强剂和增强性填料，其价格低，可替代 白碳黑等橡胶、塑料的补强剂和增强性填料；而且生产过程无环境污染。本发明所采用的技术方案是一种玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法，是针对 天然玻璃质酸性熔岩加工改性为一种新型的玻璃质酸性熔岩/双功能硫_硅烷偶联剂复合 材料的方法，采用的原料是玻璃质酸性熔岩，其特征在于，包括以下步骤(1)原料的粉碎和前处理，包括粗碎和超细粉碎，玻璃质酸性熔岩在粗碎后超细粉 碎前，加温至500 600°C，并迅速冷却到100°C以下；(2)玻璃质酸性熔岩微粉的表面改性把玻璃质酸性熔岩微粉加入到高速捏合机 中，在一定的温度下加入改性助剂，调整熔岩微粉的表面电位，使偶联剂能更好地与熔岩微 粉表面产生键合，加入偶联剂，在一定的工艺条件下进行表面改性；表面改性的工艺条件
3是熔岩微粉水分含量要求小于2% ；改性温度70-80°C ；改性时间30 50min ；捏合速度 800 1200r/min ；偶联剂用量0. 5% 1.0% ；改性助剂用量 3% ；偶联剂采用双功 能硫-硅烷偶联剂；改性助剂为氨水，调节熔岩微粉的PH值，达8 8. 5。由此带来的技术 效果至少是本发明使用分布广泛的天然矿物岩石作为改性粉体原材料，无毒、无害，价格 十分低廉，且本发明提供的工艺流程简单，整个工艺过程主要是一个物理过程，不产生环境 污染问题。如上所述的玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法，其特征在于所述原料的粉碎 和前处理步骤中，加热工艺采用回转窑加热，迅速冷却采用外壁式风或水旋转式冷却，超细 粉碎采用全刚玉循环式流化床气流粉碎机，超细粉碎至平均粒径在20um以下。由此带来的 技术效果至少是本发明使用的设备，其结构简单，使用方便。如上所述的玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法，其特征在于所述偶联剂在加 入时，先用乙醇稀释，偶联剂乙醇=1 3 1 5。由此带来的技术效果至少是可以 取得更好的改性效果。本发明还提供一种新型玻璃质酸性熔岩/双功能硫_硅烷偶联复合材料，其特征 在于采用如上所述的方法制成。由此带来的技术效果至少是该复合材料在成分和结构 上与硅烷偶联白碳黑(Si02 · nH20)相似，用于橡胶等的补强剂和增强性填料，可替代目前 橡胶行业(特别是环保型轮胎行业)所用的白碳黑，但价格仅为白碳黑的1/5 1/3。这对 我国的橡胶制品行业，特别是轮胎行业的发展将有很大的促进作用。如上所述的新型玻璃质酸性熔岩/双功能硫-硅烷偶联复合材料，其特征在于其 成分主要为Si02，次要成分A1203、，另有少量的K20、Na20、Ca0及微量Fe203、Mg0 ；H20的含 量低于2%。由此带来的技术效果是该复合材料不存在有害物质，对环境不会产生污染。本发明的有益效果是1.本发明使用分布广泛的天然矿物岩石作为改性粉体原材料，无毒、无害，价格十 分低廉。2.本发明提供的工艺流程简单，整个工艺过程主要是一个物理过程，不产出环境 污染问题。3.本发明使用的设备，其结构简单，使用方便。4.硅烷偶联剂采用双功能硫-硅烷偶联剂——Si75 [双(三乙氧基硅基丙基)二 硫化物]，或Si-69[双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物]；使用该类双功能偶联剂，一 方面在无机矿物微粉与有机橡胶(塑料)起到偶联作用，另一方面为胶料硫化提供硫。5.本发明最终制作的产品——一种新型的玻璃质酸性熔岩/双功能硫-硅烷偶联 复合材料，该活性矿物材料在成分和结构上与硅烷偶联白碳黑(Si02 · nH20)相似，用于橡 胶等的补强剂和增强性填料，可替代目前橡胶行业(特别是环保型轮胎行业)所用的白碳 黑，但价格仅为白碳黑的1/5 1/3。这对我国的橡胶制品行业，特别是轮胎行业的发展将 有很大的促进作用。
图1是本发明玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法的工艺流程图。图2是本发明玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法的粗料回转窑加热和迅速冷却工艺示意图。图3是本发明玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法的二氧化硅(微粒子)_硫-硅 烷偶联剂结合示意图。图4是本发明的改性前后熔岩微粉/橡胶硫化胶拉伸断面的电子显微镜照片。其 中，图4-A.未改性熔岩微粉/橡胶硫化胶拉伸断面，图4-B.改性熔岩微粉/橡胶硫化胶拉 伸断面。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。如图1所示，为本发明实施例提供的玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法的工艺 流程图。本发明提供的玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法包括如下流程原料玻璃质酸性熔岩(常见有松脂岩、黑曜岩、珍珠岩等)，在我国分布广泛，储 量大，往往出露地表，易开采，原矿价格仅100 200元/吨。原料的粉碎和前处理包括粗碎和超细粉碎；岩石在粗碎后超细粉碎前，加温至 500 600°C，并迅速冷却到100°C以下。其目的有二 一是去掉岩石原料中的吸附水；二是 使岩石产生微裂隙，以便超细粉碎和改性交联。该工艺采用设备回转窑加热；迅速冷却采 用外壁式风或水旋转式冷却(见附图2)。超细粉碎采用全刚玉循环式流化床气流粉碎机， 超细粉碎至平均粒径在20um以下。岩石微粉的表面改性把岩石微粉加入到高速捏合机中，在一定的温度下加入改 性助剂，调整珍珠岩粉的表面电位，使偶联剂能更好地与岩石微粉表面产生键合；加入偶 联剂，在一定的工艺条件下进行表面改性。偶联剂在使用时，需预先用酒精稀释，这样可 以获得更好的改性效果。对于改性过程中产生的一些聚合颗粒，必须除去，否则将影响产 品质量和使用效果。工艺条件岩石微粉水分含量要求小于2% ；改性温度70-80°C ；改性 时间30 50min ；捏合速度800 1200r/min ；偶联剂用量0. 5 % 1.0% ；改性助剂用 量 3%。偶联剂双功能硫-硅烷偶联剂Si75(双(三乙氧基硅基丙基)二硫化 物)-bis [-(triethoxysilyl) propyl] disulfide 或 Si_69 (双-[γ -(三乙氧基硅)丙基] 四硫化物)-Bis[3-(triethoxysilyl)propyl]tetrasulfide，如图 3 所示；偶联剂在加入 时，先用乙醇稀释，偶联剂乙醇=1 3 1 5;改性助剂氨水，调节粉体的pH值，达 8 8. 5 (15%悬浮液)。本发明的技术效果是1、改性前后岩石微粉的性能比较岩石微粉的改性的目的是改变无机岩石微粉对有机聚合物的相容性，以达到降低 填料_聚合物混合体的粘度，增加充填量，改善填料在聚合物中的浸润性和分散性，消除化 学和机械破坏点，提高制品物理力学性能。主要的评价指标包括活化指数、润湿性、浸润角、吸油量。表1岩石微粉改性前后主要评价指标参数对比表
活化指数润湿性(时间)浸润角吸油量
5改性前02秒05%KH (WD)系列硅 烷偶联剂改性91大于4小时大于120°30%Si75 或 Si-69 双 功能硫-硅烷偶 联剂改性95大于5小时大于140°80% 2、岩石微粉用作橡胶填料的使用结果本发明制作玻璃质酸性熔岩/双功能硅烷偶联复合材料与橡胶按一定的配方制 成橡胶硫化胶片，然后检测硫化胶的拉伸强度、撕裂强度、扯断拉伸率、永久形变和硬度等 物理机械性能，并与填料未改性及用KH(WD)系列硅烷偶联剂改性岩石微粉/橡胶硫化胶 加以对比，证实用Si75或Si-69双功能硫-硅烷偶联剂改性改性的岩石微粉用作橡胶(塑 料)的填料后可以大大提高橡胶制品的物理机械性能。表2中填料的量约为复合橡胶材料 总量的40%，表中只列出了一种配方。表2岩石微粉/橡胶复合材料物理机械性能测试结果*
拉伸强度 (MPa)撕裂强度 (MPa)扯断拉伸率 (%)永久形变 (%)硬度 (邵尔，度)改性前2. 3214. 52401550KH (WD)系列硅 烷偶联剂改性2. 7015. 2330664Si75 或 Si-69 双 功能硫-硅烷 偶联剂改性12. 518. 84804. 865 *配方(份)天然胶30 ；顺丁胶70 ；填料70 ；硫磺2 ；促进剂CZ 1. 2 ；促进剂 TMTD 02 ；氧化剂Zn05 ；硬树脂1 ；防老剂D 1。检测单位武汉产品质量检验站。3、熔岩微粉/橡胶硫化胶拉伸断面的微观分析附图4为改性前后熔岩微粉/橡胶硫化胶拉伸断面的电子显微镜照片，从电子显 微镜照片中可以看到，改性前粉体与橡胶的界面清晰，彼此间互不相容；改性后粉体往往一 端埋在橡胶基体中，另一端出露在表面，粉体与橡胶呈现较好的相容性。本发明涉及玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法，其目的是制作一种新型的玻璃 质酸性熔岩/硅烷复合材料，用于橡胶等的补强剂和增强性填料。实施内容包括以下几个 方面。本发明针对的原材料是天然产出的玻璃质酸性熔岩，如松脂岩、黑曜岩、珍珠岩 等；
玻璃质酸性熔岩要粉碎成平均粒度20um以下，粉碎超过包括粗碎、岩石粗碎后超 细粉碎前，加温至500 600°C，并迅速冷却到100°C以下、超细粉碎及气流分级，得到岩石 微粉。岩石微粉的活化改性，活化改性过程是一个物理、物理化学过程，该过程中加入的 少量改性剂(氨水)和双功能硫-硅烷偶联剂，对环境不会产生污染。本发明制作的用于橡胶等的补强剂和增强性填料，其成分主要为SiO2，次要成分 Al2O3、，另有少量的1(20、Na20、Ca0及微量Fe203、Mg0 ;H20的含量低于2% ；不存在有害、有毒 元素。本发明与现有相关方法和填料具有以下优点和积极效果1.本发明使用分布广泛的天然矿物岩石作为改性粉体原材料，无毒、无害，价格十 分低廉。2.本发明提供的工艺流程简单，整个工艺过程主要是一个物理过程，不产出环境 污染问题。3.本发明使用的设备，其结构简单，使用方便。4.硅烷偶联剂采用双功能硫-硅烷偶联剂——Si75 [双(三乙氧基硅基丙基)二 硫化物]，或Si-69[双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物]；使用该类双功能偶联剂，一 方面在无机矿物微粉与有机橡胶(塑料)起到偶联作用，另一方面为胶料硫化提供硫。5.本发明最终制作的产品——一种新型的玻璃质酸性熔岩/双功能硫_硅烷偶 联复合材料，该活性矿物材料在成分和结构上与硅烷偶联白碳黑(SiO2TiH2O)相似，用于橡 胶等的补强剂和增强性填料，可替代目前橡胶行业(特别是环保型轮胎行业)所用的白碳 黑，但价格仅为白碳黑的1/5 1/3。这对我国的橡胶制品行业，特别是轮胎行业的发展将 有很大的促进作用。
权利要求
玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法及其复合材料，是针对天然玻璃质酸性熔岩加工改性为一种新型的玻璃质酸性熔岩/双功能硫 硅烷偶联剂复合材料的方法，采用的原料是玻璃质酸性熔岩，其特征在于，包括以下步骤(1)原料的粉碎和前处理，包括粗碎和超细粉碎，玻璃质酸性熔岩在粗碎后超细粉碎前，加温至500～600℃，并迅速冷却到100℃以下；(2)玻璃质酸性熔岩微粉的表面改性把玻璃质酸性熔岩微粉加入到高速捏合机中，在一定的温度下加入改性助剂，调整熔岩微粉的表面电位，使偶联剂能更好地与熔岩微粉表面产生键合，加入偶联剂，在一定的工艺条件下进行表面改性；表面改性的工艺条件是熔岩微粉水分含量要求小于2％；改性温度70 80℃；改性时间30～50min；捏合速度800～1200r/min；偶联剂用量0.5％～1.0％；改性助剂用量1％～3％；偶联剂采用双功能硫 硅烷偶联剂；改性助剂为氨水，调节熔岩微粉的pH值，达8～8.5。
2.根据权利要求1所述的玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法，其特征在于所述原 料的粉碎和前处理步骤中，加热工艺采用回转窑加热，迅速冷却采用外壁式风或水旋转式 冷却，超细粉碎采用全刚玉循环式流化床气流粉碎机，超细粉碎至平均粒径在20um以下。
3.根据权利要求1所述的玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法，其特征在于所述偶 联剂在加入时，先用乙醇稀释，偶联剂乙醇=1 3 1 5。
4.一种新型玻璃质酸性熔岩/双功能硫_硅烷偶联复合材料，其特征在于采用如权 利要求1-3所述的方法制成。
5.根据权利要求4所述的新型玻璃质酸性熔岩/双功能硫_硅烷偶联复合材料，其特 征在于其成分主要为Si02，次要成分A1203、，另有少量的K20、Na20、CaO及微量Fe203、 MgO ；H20的含量低于2%。
全文摘要
本发明提供一种玻璃质酸性熔岩微粉的交联改性方法及其复合材料，其目的是用天然的岩石经本方法制作一种新型的玻璃质酸性熔岩/双功能硅烷偶联剂复合材料，用于橡胶等的补强剂和增强性填料，其价格低，可替代白碳黑等橡胶、塑料的补强剂和增强性填料；而且生产过程无环境污染。
文档编号C09C3/04GK101921499SQ20101019664
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者陆晓毅, 陆琦 申请人:武汉晟业科技有限公司