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功能粉體填料橡膠復合材料制備技術概述 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-04-17 10:47:10 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/班建偉)共混法、原位法、溶膠-凝膠法和層間插入法是制備聚合物納米復合材料的主要方法。
1 共混法
共混法分為機械共混、溶液共混及乳液共混3 種方法,主要用于制備無機納米粒子/聚合物復合材料及聚合物分子復合材料。Jeon 等對蒙脫土進行有機改性后,采用混煉法制得納米復合材料。徐斌海等以納米凹凸棒土為增強劑、甲基乙烯基硅膠為基質,采用機械共混法制備的復合材料具有優異的力學性能和高耐熱性能。當納米凹凸棒土填充量為10 份時,橡膠納米復合材料的拉伸強度為6. 68 MPa,扯斷伸長率為318%,100% 定伸應力為3. 84 MPa。當用質量分數2. 5%( 以凹凸棒土計) 的硅烷偶聯劑A-151 濕法改性納米凹凸棒土表面后,橡膠納米復合材料的拉伸強度為7. 84 MPa,扯斷伸長率為408%,100%定伸應力為5. 76 MPa。
錢紅蓮等采用機械共混法制備了納米碳酸鈣/環氧化天然橡膠復合材料,當納米碳酸鈣用量為10 份時對環氧化天然橡膠的增強效果較好,與不添加納米碳酸鈣的空白試樣相比,300% 定伸應力從1. 9 MPa 增至2. 2 MPa,500% 定伸應力從5. 1 MPa 增至5. 7 MPa,拉伸強度從19. 8 MPa 增至21. 1 MPa,扯斷伸長率從660% 增至692%。機械干混法很難使填料與橡膠混合均勻,增強效果較差,同時會產生大量粉塵,是輪胎等橡膠制品生產企業的最大粉塵污染源,嚴重危害工人的身體健康。
2 原位聚合法
原位法分為原位分散聚合法和原位生成法2種,它們的反應條件溫和,填料分散比較均勻,主要用于制備有機- 無機納米復合材料,較多用于二氧化硅/橡膠納米復合材料的制備。陳巧用原位生成- 共沉淀法制備了天然橡膠/( 炭黑-二氧化硅) 復合材料,研究表明,硫化膠具有較好的抗濕滑性能、較低的滾動阻力及較好的力學性能。
李艷花采用Si 69 原位改性的白炭黑( 粒徑40 nm 左右) 增強天然橡膠,制備了白炭黑/天然橡膠納米復合材料,研究表明改性劑用量為4 份時硫化膠的拉伸強度提高了56%,300%定伸應力提高104%,撕裂強度也大幅提高。該方法的缺點是會造成溶劑污染,而且屬于本體聚合,故在應用上還存在局限性。
3 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是一種新穎的制備有機/無機納米復合材料非常有效的方法。溶膠- 凝膠法制備納米復合材料共包括以下3 個步驟: 第1 步為溶膠的制備,第2 步為凝膠化,第3 步為凝膠的干燥。影響溶膠- 凝膠化的因素主要有溶液pH值、溶液濃度、反應時間及反應溫度。用溶膠-凝膠法原位生成的二氧化硅納米粒子對橡膠有良好的增強作用,制備的納米復合材料可與炭黑填充膠相媲美。
段先健利用溶膠- 凝膠法在三元乙丙橡膠硫化膠中制備了原位二氧化硅/三元乙丙橡膠納米復合材料,研究表明在三元乙丙橡膠中加入一氯乙酸、白炭黑和硅橡膠有利于溶膠- 凝膠反應時原位二氧化硅的生成,這3 種物質可使原位二氧化硅質量分數從1. 6% 提高到4. 1%,原位二氧化硅/三元乙丙橡膠納米復合材料的拉伸強度和定伸應力得到明顯提高。用該方法已經制備了二氧化硅/天然橡膠、二氧化硅/環氧化天然橡膠、二氧化硅/順丁橡膠等納米復合材料。該方法的優點是填料分散均勻,可達到分子復合,但是金屬醇鹽的成本較高,且水解后產生的溶劑需回收處理。
4 層間插入法
該方法按復合過程主要分為單體插層聚合法、聚合物熔體直接插層法及聚合物直接嵌入法,主要適用于制備層狀硅酸鹽/聚合物納米復合材料。姚岐軒用熔融復合法制備了硅酸鹽/天然橡膠復合材料,研究表明十八烷基銨類改性蒙脫土/天然橡膠復合材料的力學性能較好。
王勝杰等通過熔融法和溶液法制備了蒙脫土/硅橡膠復合材料,并測定其力學、耐溶劑及耐熱等性能,研究表明溶液法能使蒙脫土較好地分散于橡膠基質中,且提高了復合材料的性能。黃琨等用熔融插層法制備了密封用三元乙丙橡膠/有機蒙脫土納米復合材料,用X 射線衍射和熱重分析研究了其微觀結構和熱穩定性,結果表明蒙脫土/橡膠納米復合材料的氣體阻隔性能得到顯著提高,力學性能也得到改善。當加入5~10 份的有機蒙脫土時,橡膠納米復合材料的拉伸強度從2. 5 MPa 增至3. 7 MPa,最大扯斷伸長率為270%。
3 展望
隨著對材料性能的需求越來越多,納米技術將成為科學技術的前沿技術,同時也為橡膠工業的發展提供了新的研究思路和方法,給橡膠功能化和高性能化提供了重要手段。大力發展橡膠納米復合材料,將無機物的剛性、尺寸穩定性和熱穩定性等優異性能與橡膠的彈性、加工性能結合起來,從而制備出功能化和高性能化的橡膠納米復合材料。
a) 研究功能納米材料與橡膠分子的相互作用機理,研究功能納米材料尺寸限域對橡膠納米復合材料 的影響,如由尺寸限域引起的量子現象及其引發的光、電、磁、熱、聲性質的變化等。研究如何有效控制納米填料的團聚,改善填料的分散性,從而既提高材料的性能,又大幅度降低成本。
b) 研究功能納米材料在橡膠中的應用。如石墨型碳納米管及金剛石型碳納米管在民用輪胎、軍用防護件等復合材料中的應用。
c) 研究多種不同基質的納米填料的配合使用。加強多功能納米材料的開發研究,如首先制備功能種子乳液,再進一步制備功能復合材料,即將填料與高聚物包覆在一起制成種子乳液填料,再將種子乳液填料添加到主體材料中,以制備多種功能的復合材料。
d) 加快開發低成本、環?;墓δ芗{米填料。針對一些價格昂貴的納米填料,開發一些低成本的納米填料加以替代,以滿足橡膠工業的需求,促進我國橡膠及其相關行業健康、穩步、快速發展。
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