一种CNT-SiO2/NBR材料制备方法及雾化喷枪与流程

本发明涉及橡胶混炼领域，具体为一种cnt-sio2/nbr材料制备方法及雾化喷枪。

背景技术：

混炼是橡胶加工工艺过程的第一步，也是最为关键的工序，通过该工序将各种填料与橡胶充分混合，并使填料尽可能的分散均匀，混炼结果的好坏直接决定着橡胶制品的性能和使用寿命，一直备受行业的广泛关注。

目前，cnt/橡胶复合材料的制备方法主要包括机械共混法、溶液共混法、熔融共混法和乳液共混法等传统工艺方法，中国专利201510770421.7公开的一种聚甲基苯基硅氧烷-碳纳米管-硅橡胶复合材料，按照下述步骤进行：步骤1：将90-110重量份硅橡胶生胶在温度43-48℃的双辊上，混炼2-5min，使硅橡胶生胶均匀粘辊；步骤2：依次加入30-50重量份白炭黑、8-15重量份二苯基硅二醇、1.5-3重量份多乙烯基硅油，1-5重量份聚甲基苯基硅氧烷非共价修饰碳纳米管和0.4-1重量份过氧化双(2,4-二氯苯甲酰)，混炼12-14min，将胶料混炼均匀获得混炼胶；步骤3：将步骤2制备的混炼胶装入模具中，温度为175-185℃，压力5-12mpa的条件下热压9-12min硫化成型，冷却后得到硫化胶片；所述步骤1中，所述硅橡胶生胶为甲基乙烯基硅橡胶；所述步骤2中，聚甲基苯基硅氧烷非共价修饰碳纳米管中，聚甲基苯基硅氧烷上的苯环与碳纳米管间以π-π作用进行复合，并按照下述方法进行制备：步骤1，称取0.5-1.5质量份羧基化碳纳米管超声分散在蒸馏水中，得到羧基化碳纳米管的水相分散液；称取0.5-5.0质量份聚甲基苯基硅氧烷超声分散在无水乙醇中，得到聚甲基苯基硅氧烷的无水乙醇分散液；步骤2，将聚甲基苯基硅氧烷的无水乙醇分散液滴加入羧基化碳纳米管的水相分散液中，冰浴超声处理20-40min后取出，密封静置22-26h后进行抽滤烘干；

现有的橡胶混炼存在的问题包括：

(1)乳液共混法能够使cnt等填料在橡胶基体中分散较为均匀，通常使用酸等破乳剂实现乳胶粒子和cnt的共沉淀，但是加酸或其他化学试剂絮凝及后续脱水烘干过程容易使填料发生再次团聚，造成效率低、耗时长和耗水量大的问题；

(2)同时机械共混法、溶液共混法和熔融共混法由于工艺问题，制备的橡胶复合材料也存在一些不可避免的缺陷；

(3)由于多cnt的与填料在混合时进入气相雾化喷枪容易产生基团的堆积，降低了混炼过程中的相容性。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种cnt-sio2/nbr材料制备方法及雾化喷枪，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种cnt-sio2/nbr材料制备方法，s100、利用球磨机研磨二氧化硅至100～200目，将研磨后的二氧化硅和去离子水置于烧杯中，用高速剪切机分散成质量分数为25wt％的二氧化硅水分散体，并通过搅拌器搅拌得到25wt％的二氧化硅浆料；

s200、将3质量份的cnt水溶液与30质量份的二氧化硅浆料搅拌混合，形成cnt-sio2混合液，并将100质量份的干胶质量分数为60wt％的离心浓缩丁腈胶乳加入cnt-sio2混合液中，用叶片式搅拌器搅拌cnt-sio2/nbrl混合液，完成cnt-sio2/nbrl混合液的制备；

s300、将制备的cnt-sio2/nbrl混合液倒入容器罐内，使用超声雾化喷枪把cnt-sio2/nbrl混合液往复喷射到高温开炼机的辊筒上，且往复间隔在2～3秒；

s400、调节辊筒温度，使cnt-sio2/nbrl混合液雾化成液滴，液滴在接触到高温开炼机辊筒时，液滴中的水分蒸发，得到干燥的母胶，滚筒上的刮板将母胶刮下收集，备用，完成母胶的制备；

s500、将制备的母胶在开炼机上进行密炼，依次加入母胶、氧化锌zno、硬脂酸sad、dpg促进剂、防老剂4020进行混炼，得到cnt-sio2/nbr复合材料，完成cnt-sio2/nbr复合材料的制备。

进一步地，利用球磨机进行二氧化硅的研磨之前，加入0.1～0.15ml的盐酸催化后进行过滤干燥，然后再和去离子水混合，并利用高速剪切机将离子水和二氧化硅混合液分散成质量分数为40wt％的二氧化硅水分散体，并经过一次过滤后再加入去离子水，继续剪切，形成25wt％的二氧化硅水分散体。

进一步地，在s200中采用100质量份的干胶质量分数为60wt％的离心浓缩氯丁胶乳加入cnt-sio2混合液，且在加入的过程中分两次50质量份的加入，并在每次加入50质量份后进行研磨搅拌，并在第一次加入50质量份研磨搅拌后静置3～5min。

进一步地，在通过超声雾化喷枪把cnt-sio2/nbrl混合液往复喷射到高温开炼机的辊筒上时，每往复喷射5～6次后，将开炼机辊筒转动半个圆周，并利用刮刀将母胶刮下收集。

进一步地，在将制备的母胶在开炼机上进行密炼时，并在超声波环境中持续混炼20min。

另外本发明还涉及了一种cnt-sio2/nbr材料制备用雾化喷枪，包括组装壳架，以及设置在组装壳架上的配料瓶，位于所述配料瓶一侧的组装壳架上设置有气压泵，所述组装壳架内侧设置有微动组件，所述微动组件上排列有若干个雾化喷头，相邻的所述雾化喷头之间设置有导流板，且所述导流板固定安装在组装壳架上，所述导流板与组装壳架连接处设置有风幕槽。

进一步地，所述雾化喷头包括柱管，所述柱管的顶部设置有气流管，所述气流管的顶部设置有分雾板，所述分雾板的顶部设置有喷孔罩，所述气流管的顶部设置有交板喷头。

进一步地，所述气流管和分雾板之间的柱管的侧壁上设置有截面呈锥形的膨胀腔，所述膨胀腔内部设置有反射板，且所述反射板与膨胀腔之间设置有回转管，相对于所述回转管的膨胀腔侧壁上设置有超声波发生器。

进一步地，所述交板喷头包括两块扇板，且所述扇板上扇形排列有若干纺锤板，两块所述扇板设置有纺锤板的面交错连接在一起，两块所述扇板的交错角度为20～30°。

进一步地，所述微动组件包括弹动杆，所述弹动杆的两端通过弹簧安装在组装壳架上，位于所述弹动杆两端的组装壳架上设置有微型电机，所述微型电机的输出轴上设置有偏心轮，且所述偏心轮贴合在弹动杆上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)将碳纳米管(cnt)分散液和胶乳两种液体通过机械搅拌充分形成混合液，在高压气相雾化作用下，混合液先被打散成微小液滴，完成一次破碎，微小液滴随后经高温金属板表面溅射爆破，完成二次破碎，达到分散效果，然后液滴被瞬间脱水干燥获得cnt/nbr母胶，其中，cnt在雾化、溅射和爆破作用下，在nr中达到微观分散效果；

(2)气相雾化装置能够保证雾化的均匀性，达到完全分散效果，并保证粘覆在辊筒上的母胶的内部干燥，同时避免了水蒸气的粘覆在器械上形成二次滴附；

(3)其工艺简单可控，原理科学合理，能耗和生产成本低，操作性强，分散更加均匀，团聚现象少，滚动阻力小，使用环境友好，易于大规模生产和推广使用，对环保有重要的积极意义，且制备的符合材料性能更高，有更高的经济价值.

(4)本发明中利用喷射时的超声震动打破橡胶基体材料中多碳纳米管cnt的积聚，从而提高纳米材料在母胶材料中的分散性，提供混炼胶时的充分均匀性和相容性。

附图说明

图1为本发明的整体一种cnt-sio2/nbr复合材料制备方法流程图；

图2为本发明的一种cnt-sio2/nbr复合材料制备的超声雾化喷枪结构示意图；

图3为本发明的组装壳架正视结构示意图；

图4为本发明的雾化喷头结构示意图；

图5为本发明的安装有超声发生器的膨胀腔结构示意图；

图6为本发明的安装有膨胀腔的回转管安装结构示意图；

图7为本发明的球磨机整体结构示意图；

图8为本发明的压杆装置结构示意图；

图9为本发明的研磨罐安装结构示意图。

图中标号：

1-组装壳架；2-配料瓶；3-气压泵；4-微动组件；5-雾化喷头；7-风幕槽；

401-弹动杆；402-弹簧；403-微型电机；404-偏心轮；

501-柱管；502-气流管；503-分雾板；504-喷孔罩；505-交板喷头；506-扇板；507-纺锤板；508-膨胀腔；509-反射板；510-回转管；511-超声波发生器。

b1-基座；b2-安装槽；b3-行星轮；b4-固定支架；b5-动铰装置；b6-研磨罐；b7-压杆装置；b8-转轨盘；b9-减速器；b10-锥齿轮；

b501-绕动座；b502-弧铰头；b503-齿条弧圈；b504-齿条槽；b505-双球头轴杆；b506-加热片；

b601-分隔网框；b602-旋转轴；b603-搅拌桨；

b701-架压板；b702-中空螺杆；b703-球扳；b704-压簧；b705-芯轴杆；

b801-内轮盘；b802-外轨环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明提供了一种cnt-sio2/nbr复合材料制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

s100、利用球磨机研磨二氧化硅至100～200目，将研磨后的二氧化硅和去离子水置于烧杯中，用高速剪切机分散成质量分数为25wt％的二氧化硅水分散体，并通过搅拌器搅拌得到25wt％的二氧化硅浆料；

s200、将3质量份的cnt水溶液与30质量份的二氧化硅浆料搅拌混合，形成cnt-sio2混合液，并将100质量份的干胶质量分数为60wt％的离心浓缩丁腈胶乳加入cnt-sio2混合液中，用叶片式搅拌器搅拌cnt-sio2/nbrl混合液，完成cnt-sio2/nbrl混合液的制备；

s300、将制备的cnt-sio2/nbrl混合液倒入容器罐内，使用超声雾化喷枪把cnt-sio2/nbrl混合液往复喷射到高温开炼机的辊筒上，且往复间隔在2～3秒；

s400、调节辊筒温度，使cnt-sio2/nbrl混合液雾化成液滴，液滴在接触到高温开炼机辊筒时，液滴中的水分蒸发，得到干燥的母胶，滚筒上的刮板将母胶刮下收集，备用，完成母胶的制备；

s500、将制备的母胶在开炼机上进行密炼，依次加入母胶、氧化锌zno、硬脂酸sad、dpg促进剂、防老剂4020进行混炼，得到cnt-sio2/nbr复合材料，完成cnt-sio2/nbr复合材料的制备。

利用球磨机进行二氧化硅的研磨之前，加入0.1～0.15ml的盐酸催化后进行过滤干燥，然后再和去离子水混合，并利用高速剪切机将离子水和二氧化硅混合液分散成质量分数为40wt％的二氧化硅水分散体，并经过一次过滤后再加入去离子水，继续剪切，形成25wt％的二氧化硅水分散体。

在s200中采用100质量份的干胶质量分数为60wt％的离心浓缩氯丁胶乳加cnt-sio2混合液，且在加入的过程中分两次50质量份的加入，并在每次加入50质量份后进行研磨搅拌，并在第一次加入50质量份研磨搅拌后静置3～5min。

在通过超声雾化喷枪把cnt-sio2/nbrl混合液往复喷射到高温开炼机的辊筒上时，每往复喷射5～6次后，将开炼机辊筒转动半个圆周，并利用刮刀将母胶刮下收集。

在将制备的母胶在开炼机上进行密炼时，并在超声波环境中持续混炼20min。

将碳纳米管(cnt)分散液和胶乳两种液体通过机械搅拌充分形成混合液，在高压气相雾化作用下，混合液先被打散成微小液滴，完成一次破碎，微小液滴随后经高温金属板表面溅射爆破，完成二次破碎，达到分散效果，然后液滴被瞬间脱水干燥获得cnt/nbr母胶，其中，cnt在雾化、溅射和爆破作用下，在nr中达到微观分散效果；气相雾化装置能够保证雾化的均匀性，达到完全分散效果，并保证粘覆在辊筒上的母胶的内部干燥，同时避免了水蒸气的粘覆在器械上形成二次滴附；其工艺简单可控，原理科学合理，能耗和生产成本低，操作性强，分散更加均匀，团聚现象少，滚动阻力小，使用环境友好，易于大规模生产和推广使用，对环保有重要的积极意义，且制备的符合材料性能更高，有更高的经济价值.

本发明中利用喷射时的超声震动打破橡胶基体材料中多碳纳米管cnt的积聚，从而提高纳米材料在母胶材料中的分散性，提供混炼胶时的充分均匀性和相容性。

实施例2：

如图2至图6所示，本发明还提供了一种cnt-sio2/nbr复合材料超声雾化喷枪，包括组装壳架1，以及设置在组装壳架1上的配料瓶2，位于配料瓶2一侧的组装壳架1上设置有气压泵3，并将制备好的cnt/nbr混合液注入配料瓶2中，通过气压泵3提供喷射气压和控制配料瓶2中的压强变化，实现均匀压力下的喷射。

本发明的组装壳架1内侧设置有微动组件4，微动组件4上排列有若干个雾化喷头5，通过微动组件4驱动雾化喷头的左右横向震动，从而保证雾化喷头5的喷射面呈轴向的微动，使得辊筒上的胶面反复的覆盖，相邻的雾化喷头5之间设置有导流板6，且导流板6固定安装在组装壳架1上，导流板6与组装壳架1连接处设置有风幕槽7；

本发明通过在相邻的雾化喷头5之间设置导流板6,使得相雾化喷头5之间的交叉面变成平行喷射面，使得相邻得雾化喷头5交叉处保持相对于辊筒的径向位置，保证了喷射面的均匀性，避免了相邻的雾化喷头5在喷射时交叉面在辊筒上形成厚度不均的交叉喷面，影响母胶的干燥时间和交叉面内部的水分的消散；

本发明中的组装壳架1上设置风幕槽7，并通过外置的风机管道连接至组装壳架1内部的风幕槽7的内腔，风幕槽7在雾化喷头工作时，风幕槽7通过风机提供的风压远小于雾化喷头5的喷射压力，使得风幕槽7产生的风幕只沿导流板6表面产生，从而避免母胶在导流板6上的粘粘，同时避免相邻的雾化喷头5的喷射面的影响；

在雾化喷头停止工作时，此时辊筒依旧保持较高的温度进行母胶的干燥，此时干燥的水蒸气将通过风幕槽7的风机的反向工作，风机进行抽风，快速的抽出干燥过程中产生的水蒸气，避免水蒸气在机器上的冷凝。

雾化喷头5包括柱管501，柱管501的顶部设置有气流管502，气流管502的顶部设置有分雾板503，分雾板503的顶部设置有喷孔罩504，气流管502的顶部设置有交板喷头505；

进一步的，本发明中的气流管502和分雾板503之间的柱管501的侧壁上设置有截面呈锥形的膨胀腔508，所述膨胀腔508内部设置有反射板509，且所述反射板509与膨胀腔508之间设置有回转管510，相对于所述回转管510的膨胀腔508侧壁上设置有超声波发生器511，配料瓶2中的cnt-sio2/nbrl混合液通过管道进入气流管502中，当进入膨胀腔508，由于膨胀腔508的空间直径比气流管502的管口直径大，喷孔罩504上的喷孔直径远小于膨胀腔508的空间直径，从而cnt-sio2/nbrl混合液在膨胀腔508中短暂的滞留，并通过超声波发生器510进行超声震荡，使得cnt基团充分分散，防止在喷射的过程中产生cnt基团的堆积，造成喷头的堆积，并且在形成母胶时无法与其他填料的混合。

本发明中反射板509将接受到的超声波进行反射，在回转管510中反复反射，而所述的回转管510为至少两段的u形管槽的首尾连接结构，提高cnt-sio2/nbrl混合液在里面的停留时间。

微动组件4包括弹动杆401，弹动杆401的两端通过弹簧402安装在组装壳架1上，位于弹动杆401两端的组装壳架1上设置有微型电机403，微型电机403的输出轴上设置有偏心轮404，且偏心轮404贴合在弹动杆401上。

交板喷头505包括两块扇板506，且扇板506上扇形排列有若干纺锤板507，两块扇板506设置有纺锤板507的面交错连接在一起，两块扇板506的交错角度为20～30°，通过喷孔罩504的雾化液滴被纺锤板507进一步的碰撞破碎。

补充说明的是，组装壳架1的两侧设置有用于安装在开炼机上的安装支架。

实施例3：

如图7、图8和图9所示，本发明提供的一种用于实施例1中复合材料制备的球磨机，包括基座b1以及设置在基座b1上的安装槽b2，安装槽b2内部设置有通过电机驱动的行星轮b3，且行星轮b3的星轮至少为三个，行星轮b3的星轮上设置有固定支架b4，固定支架b4通过动铰装置b5安装有研磨罐b6，研磨罐b6上安装有压杆装置b7，位于研磨罐b6的上部设置有转轨盘b8，且转轨盘b8通过支架固定连接至安装槽b2中，转轨盘b8包括内轮盘b801和外轨环b802，且内轮盘b801和外轨环b802相对的表面均设置有齿条，压杆装置b7的顶部通过锥齿轮b10啮合在内轮盘b801和外轨环b802之间，行星轮b3的太阳轮的转轴连接有减速器b9，且减速器b9的输出轴连接在内轮盘b801的转轴上。

本发明的工作原理是，通过电机驱动的行星轮b3转动，同时行星轮b3的每个星轮在太阳轮的驱动下自转，从而实现每个研磨罐b6公转的同时自转，提高搅拌的混乱度，加快研磨效率；

研磨罐b6通过压杆装置b7压紧，研磨罐b6内部可在压紧的同时进行抽真空，从而进行真空研磨；

研磨罐b6的底部通过动铰装置b5连接在固定支架b4上，使得研磨罐b6可以及动铰装置b5为支点进行绕点运动，使得研磨罐b6保持一个倾斜角度的向心转动，使得研磨罐b6内部的研磨球始终保持堆积在一边，在转动的过程中单位体积内的研磨球数量增加，使得研磨更加充分。

压杆装置b7包括架压板b701以及竖直穿过架压板b701的中空螺杆b702，中空螺杆b702的顶部螺旋咬合有球扳b703，球扳b703与架压板b701之间的中空螺杆b702的杆身上套装有压簧b704，中空螺杆b702内部套装有芯轴杆b705，锥齿轮b10固定安装在芯轴杆b705的顶部。

研磨罐b6内部设置有三层的分隔网框b601，分隔网框b601中间设置有旋转轴b602，且旋转轴b602位于分隔网框b601的每一层的轴身上设置有搅拌桨b603，且搅拌桨b603呈四边棱体，芯轴杆b705通过键连接旋转轴b602；

本发明中的三层的分隔网框b601中的每一层放置直径逐渐减少的研磨球，并通过分隔网框b601的分隔作用，将研磨球限制在一定的空间内，在研磨的过程中，较大的二氧化硅颗粒会沉到研磨罐b6的底部，从而被体积以及质量较大的研磨球快速研磨，较小的二氧化硅颗粒将由于离心旋转作用而悬浮至上层，从而被直径以及质量较小的研磨球研磨；在研磨的过程中可通过较小的研磨球标定研磨颗粒的质量分数，从而避免了频繁的质量分数检测以及二次研磨操作。

本发明中的芯轴杆b705在内轮盘b801的带动下转动，并通过减速器b9的减速作用，使得芯轴杆b705与研磨罐b6的整体不同步转动，芯轴杆b705的转动将驱动旋转轴b602的转动，旋转轴b602上的搅拌桨b603将进行内部浆料和研磨球的破开，增加限定空间中研磨球的碰撞距离，并提高浆料的混乱度。

动铰装置b5包括设置在固定支架b4上的绕动座b501以及与绕动座b501接触连接的弧铰头b502，且研磨罐b6安装在弧铰头b502上，弧铰头b502的表面设置有环形的齿条弧圈b503，相对于齿条弧圈b503的绕动座b501内壁上设置有齿条槽b504，弧铰头b502的底部通过双球头轴杆b505连接在绕动座b501内底部中间。

弧铰头b502的表面设置有加热片b506，行星轮b3的太阳轮上设置有电滑环，且加热片b506通过电线连接电滑环，通过外置的电源供电，可使得加热片b506发热，实现对研磨罐b6进行加热。

本发明中的芯轴杆b705与内轮盘b801的夹角范围在60～90°，内轮盘b801的直径是行星轮b3的行星架直径的3/5，使得若干个研磨罐b6的整体呈向心状态，倾斜状态下的研磨罐b6中的研磨球会向一侧堆积，从而利用研磨球自身的重力以及二氧化硅浆料本身颗粒的碰撞距离减少，有效碰撞距离增加，从而研磨的更加充分。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。