CN105754159B - 一种高强度、防静电的胶乳复合材料、制备及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度、防静电的胶乳复合材料、制备及应用，属于聚合物纳米复合材料的制备领域。一种高强度、防静电的胶乳复合材料，采用简单的机械研磨法将水溶性高分子对碳纳米管表面物理包覆处理，将其加入到水溶液中超声处理，然后将此碳纳米管分散液与预硫化胶乳混合，机械搅拌混合均匀，乳液的稳定性高，从而可以充分的发挥CNTs的性能，且胶乳体系的粘度不会增加，流平性好，可采用浸渍铺膜工艺，也适合联动生产线浸渍生产，有利于乳胶制品的大规模生产，使制得的乳胶制品强度高、耐刺穿、防静电性。

Description

一种高强度、防静电的胶乳复合材料、制备及应用
技术领域
本发明涉及一种高强度、防静电的胶乳复合材料、制备及应用，属于聚合物纳米复合材料的制备领域。
背景技术
碳纳米管(CNTs)因其独特的结构与特性如高柔韧性、低质量密度和大长径比(通常300-1000)，还因为其拥有出色的电性能、导热性和高机械强度。单束碳纳米管的导电率可达到104S/cm的值,与金属的导电率(铜为59×104S/cm,铁为9.9×104S/cm)接近,而且碳纳米管的密度非常低,也可大幅减轻重量。众所周知,碳材料通常具有高导热性能,而碳纳米管(单个纳米管导热率的实验测量值为3000W/(m·K),理论上计算的预测值高达6600W/(m·K),则使这种不寻常的优越特性更加突出,因此把此种材料归类为有史以来导热率最高的材料。由于其单个碳原子间形成的共价sp2键,碳纳米管堪称是迄今所发现的强度最高、刚性最好的材料,其拉伸强度为10～150MPa(相比之下Kevlar为3.5MPa,不锈钢为1MPa)，弹性模量约为1TPa(相比之下Kevlar约为0.15TPa,不锈钢约为0.2TPa)。
碳纳米管(CNTs)之间具有非常强的范德华相互作用，从而使得数百根碳管纠缠在一起，形成较大的团聚体，很难分开，极大地削弱了单根碳管所表现出的优异的力学和电学特性。通过对碳纳米管进行有效的表面修饰，则可以克服上述的问题，从而改善碳纳米管的分散性能，提高它与基体材料之间的相容性，并增强它们之间的相互作用。另外，通过对其进行表面修饰还可以赋予碳纳米管新的性能，实现碳纳米管的分子组装，获得各种性能优异的纳米材料，在分子电子学、纳米电子学以及纳米生物分子学等方面具有广阔的应用前景。
碳纳米管的表面功能化主要有共价键法和非共价键法两种。共价键法改性碳纳米管主要是通过化学修饰，在碳纳米管表面以共价键的形式结合一定数量的化学官能团以达到改性目的。而非共价键法则是通过表面活性剂修饰、聚合物包裹、缠绕和吸附等方式对碳纳米管进行表面修饰。相对于共价键法修饰而言，该方法主要的优点就是能够防止碳管的sp2碳原子结构和共轭体系被破坏，保持了碳纳米管的电子结构，从而不会影响其优异的电学、光学、磁学、热学和机械性能。
目前，在橡胶行业中，乳胶制品在我国其生产规模很大，但也存在技术含量低，质量不稳定等缺点。通过在胶乳中加入无机填料的方法来改性乳胶制品会带来无机填料易沉积不易于浸渍法的工业化生产，生产效率低，且由于无机填料的堆积易使制品出现缺陷，降低制品力学性能的问题。目前关于无机填料改性胶乳的中国专利很少。中国专利201010200667.8、2007100492970、2007100492932主要研究无机粉末色浆改性胶乳制备彩色乳胶制品的制备方法。
碳纳米管(CNTs)是用途十分广泛的功能材料，因其独特的结构与特性如高强度、高柔韧性、低质量密度和大长径比，还因为其拥有出色的电性能、导热性和高机械强度。我们采用水溶性高分子物理包覆CNTs，使其在胶乳中均匀分散，不影响乳液的稳定状态，不增加胶乳的粘度，可以采用联动生产线连续化生产，同时CNTs在乳胶制品中分散均匀，所得乳胶制品强度高、耐刺穿、同时防静电，用于乳胶手套等乳胶制品可以防止工作中的摩擦静电的产生。
中国专利201210450491.0“一种高导电碳纳米管/橡胶复合材料及其制备方法”采用一种定向生长碳纳米管束，将其加入到表面活性剂水溶液先后用不同的功率进行超声处理，使碳纳米管均匀分散在水中。将碳纳米管分散液与预硫化胶乳混合，机械搅拌混合均匀后利用“浸渍铺膜”工艺将碳纳米管/胶乳混合液倾倒至有机玻璃磨具中，室温干燥硫化成型。采用此法所得碳纳米管/橡胶复合材料中碳纳米管具有较高的长径比和较好的分散性，和橡胶基体的相容性好，其硫化胶的电导率有显著提高。
该方法在乳液中加入碳纳米管的含表面活性剂水溶液，使乳液的固含量降低，因此该方法主要针对固含量为60％的天然浓缩胶乳，制品的制备工艺采用浸渍铺膜工艺。而大量乳胶制品采用联动生产线浸渍生产，生产规模大，这种工艺条件对乳液的稳定性要求高，粘度要求低。
发明内容
为了克服现有技术的问题和缺点，本发明的目的在于提供一种制备新型CNTs/胶乳复合制品的制备。该方法利用的原理是对碳纳米管(CNTs)表面进行物理修饰，即采用简单的机械研磨法将水溶性高分子对CNTs表面物理包覆处理，将其加入到水溶液中超声处理，将此碳纳米管分散液与预硫化胶乳混合，机械搅拌混合均匀，乳液的稳定性高，从而可以充分的发挥CNTs的性能，且胶乳体系的粘度不会增加，流平性好，可采用浸渍铺膜工艺，也适合联动生产线浸渍生产，有利于乳胶制品的大规模生产，使制得的乳胶制品强度高、耐刺穿、防静电性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高强度、防静电的胶乳复合材料，采用聚合物胶乳和碳纳米管共混制成。
优选的是：采用研磨法用水溶性高分子对碳纳米管表面进行包覆处理，然后与聚合物胶乳共混。采用上述技术方案以后，CNTs可以充分均匀地分散到胶乳中，且胶乳体系的粘度不会增加，流平性好，可采用浸渍铺膜工艺，也适合联动生产线浸渍生产，有利于乳胶制品的大规模生产，制得的乳胶制品强度高、耐刺穿、防静电性。
中国专利201210450491.0方法加入表面活性剂水溶液，使乳液的固含量降低。只能针对固含量为60％的天然浓缩胶乳，采用浸渍铺膜工艺，对乳液的稳定性要求不高。本专利方法制备的水溶性高分子物理包覆的碳纳米管在水中的溶解性高，可选用的胶乳的固含量可以在60-40％，乳液的稳定性好，且胶乳体系的粘度不会增加，流平性好，可采用浸渍铺膜工艺，也适合联动生产线浸渍生产，有利于乳胶制品的大规模生产。所得乳胶制品除了具有一定的导电性，强度进一步增加，耐刺穿性能提高明显。
优选的是：聚合物胶乳为天然胶乳、丁苯胶乳、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物胶乳、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物胶乳、丁腈胶乳、聚醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯乳液、丙烯酸酯均聚物或共聚物乳液、甲基丙烯酸均聚物或共聚物乳液中的至少一种。
优选的是：碳纳米管为单臂碳纳米管或多壁碳纳米管的至少一种。
优选的是：碳纳米管长度为5-10μm。实验证明，长度过短，例如小于5μm，增强效果不好；长度过大，例如大于10μm，在研磨过程中容易折断。本发明还提供上述胶乳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)水溶性高分子包裹CNTs的制备
将水溶性高分子与CNTs研磨，加入水，超声分散，得到分散均匀的混合溶液；
2)CNTs/胶乳复合材料的制备
在干胶含量在35％-45％的预硫化离心胶乳中加入0.5％～5％质量分数的上述CNTs，搅拌10～30min，混合均匀制成共混胶乳。
优选的是：步骤1)中，水溶性高分子与CNTs的质量比为1:4-4:1。
优选的是：步骤1)中，水溶性高分子包裹CNTs的制备条件为：将水溶性高分子与CNTs研磨15min～5h，加入CNT:水质量分数为1：100-1：1000，在功率50～500W、频率为10～10000HZ、温度10～100℃的条件下，超声分散15min～2h。
优选的是：按照国标GB7544-2009附录I测试，复合材料的胶膜厚度在0.170-0.180mm之间，强度比未加碳纳米管的材料提升30-40％。
优选的是：复合材料的体积电阻为1.0×1012Ω·cm--1×1011Ω·cm。
优选的是：水溶性高分子为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸钠、淀粉衍生物、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、淀粉、***胶、藻蛋白酸钠、骨粉、明胶、干酪素的至少一种。
本发明还提供一种乳胶制品，按照上述所述方法制备的共混胶乳，利用常规的联动生产线硫化方法制得。
本发明还提供上述乳胶制品在高强度乳胶手套、乳胶模、导电材料、电磁屏蔽材料或阻隔材料中的应用。
附图说明
图1从左到右分别为：天然胶乳、实施例1的胶乳、对比例1中MWCNTs直接掺混到天然胶乳中静置48h后的照片；
图2为未改性的CNTs/胶乳复合制品拉伸断面的扫描电镜图；
图3为改性后的CNTs/胶乳复合制品拉伸断面的扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，实施例仅仅为了举例说明本发明、并不限制本发明。本发明的保护内容不局限于以下实施例，以下实施例水溶性高分子为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，胶乳为天然胶乳。
对比例1和实施例1
处理后CNTs分散性的变化
实施例1：将重量比为3:1的PVP/CNTs机械研磨15min，按照浓度为碳纳米管0.5mg/ml加入适量重量份水，超声分散15min，得到分散均匀的混合溶液。在胶乳中加入0.5％质量分数的上述CNTs，加入到干胶含量在45％的预硫化离心胶乳中，搅拌30min，配置成干胶含量在45％的预硫化离心胶乳，吸取少量的共混液，滴加在PE膜上，利用共混液自身的表面张力控制液滴的厚度与大小。
对比例1的制备方法：在干胶含量在45％的预硫化离心胶乳中加入0.5％质量分数的上述CNTs，搅拌30min，吸取少量的共混液，滴加在PE膜上，利用共混液自身的表面张力控制液滴的厚度与大小。
图1可知，由此方法制得的MWCNTs/PVP/NR胶乳样品达到了预期的分散效果。
对比文件1中，直接将碳纳米管掺混到天然胶乳中，胶乳的粘度大，碳管在其中团聚现象严重。
落球法测定的实施例1的乳液粘度是12Pa.s，和未加碳纳米管的相同固含量的乳液的粘度11-13Pa.s一致。
由此可见，本发明避免了碳纳米管加入引起的团聚现象和胶乳粘度增大现象，碳纳米管分散性和流平性能好。
实施例2和对比例2
处理后CNTs分散性的变化
实施例2：将重量比为3:1的PVP/CNTs机械研磨15min，加入适量重量份水，超声分散15min，得到分散均匀的混合溶液。在胶乳中加入0.5％质量分数的上述CNTs，加入到干胶含量在45％的预硫化离心胶乳中，搅拌30min，配置成干胶含量在35％的预硫化离心胶乳按照胶乳常规的联动生产线硫化方法制得乳胶制品。
对比例2的制备方法：在干胶含量在35％的预硫化离心胶乳中加入0.5％质量分数的上述CNTs，搅拌30min，按照胶乳常规的联动生产线硫化方法制得乳胶制品。
图2和图3为CNTs/胶乳复合制品拉伸断面的扫描电镜测试结果。从放大的扫描电镜图上可看出，碳纳米管在橡胶基体中的分散情况不同。图2中，未改性的碳纳米管在橡胶基体中出现团聚现象明显。图3中，PVP包覆的碳纳米管分散性明显变好，而且还能明显看到的“拔丝”现象，说明碳纳米管与橡胶界面的结合力变强。
实施例3-4和对比例3-4
CNTs对乳胶制品力学性能的影响
实施实例3-4的制备方法：将重量比为3:1的PVP/CNTs机械研磨15min，加入适量重量份水，超声分散15min，得到分散均匀的混合溶液。在干胶含量在45％的预硫化离心胶乳中加入0.4％和0.5％质量分数的上述CNTs，搅拌30min，配置成干胶含量为40％的预硫化离心胶乳按照胶乳常规的联动生产线硫化方法制得乳胶制品。样品为桶状圆环，壁宽20mm，厚0.170-0.180mm，周长103mm。
对比例3的制备方法：在干胶含量在40％的预硫化离心胶乳按照胶乳常规的联动生产线硫化方法制得乳胶制品。样品为桶状圆环，壁宽20mm，厚0.170-0.180mm，周长103mm。
对比例4的制备方法：在干胶含量在40％的预硫化离心胶乳中加入0.5％质量分数的上述CNT，搅拌30分钟，按照胶乳常规的联动生产线硫化方法制得乳胶制品。样品为桶状圆环，壁宽20mm，厚0.170-0.180mm，周长103mm。
用QC-II-DS型电子拉伸试验机，试验条件:温度23±2℃，湿度55±15％，环形拉伸试片，拉伸速度500±50mm/min。
表1.试样拉断力与拉断伸长率
由表1可知加入处理后的CNTs的乳胶制品的拉断力与拉断伸长率均有提高，可能的原因是处理后的CNTs在胶乳中的分散性好，CNTs具有增强作用，因此提高了试样的韧性和强度。
实施例5和对比例5
CNTs对乳胶制品导电性的影响
实施例5的制备方法:将重量比为的4:1的PVP/CNTs机械研磨15min，加入适量重量份水，超声分散15min，得到分散均匀的混合溶液。在干胶含量45％的预硫化离心胶乳胶乳中加入0.5％质量分数的上述CNTs水溶液，摇匀后静置30min，配置成干胶含量40％的预硫化离心胶乳，吸取少量的上述乳液滴加在PE膜上，利用共混液自身的表面张力控制液滴的厚度与大小。将制得的液滴放置于通风橱处自然风干48h，得实施例4的样品。
对比例5的制备方法：吸取少量40％干胶含量的预硫化离心胶乳滴加在PE膜上，利用乳液自身的表面张力控制液滴的厚度与大小。将制得的液滴放置于通风橱处自然风干48h，得实施例5的样品。
表2.CNTs改性前后的乳胶膜的电性能
测试样品尺寸：15×15×(1.0±0.1)mm
经过公式计算出电阻大小，可以计算出CNTs改性后的乳胶膜的电阻降低，说明加入CNTs可以改善天然胶乳的导电性能。

Claims (4)

1.一种高强度、防静电的胶乳复合材料，其特征在于：采用研磨法用水溶性高分子对碳纳米管表面进行包覆处理，然后与聚合物胶乳共混制成；具体方法包括以下步骤：
1）水溶性高分子包裹CNTs的制备
将水溶性高分子与CNTs研磨，加入水，超声分散，得到分散均匀的混合溶液；
2）CNTs/胶乳复合材料的制备
在干胶含量在35%-45%的预硫化离心胶乳中加入0.5%~5%质量分数的上述CNTs，搅拌10～30min，混合均匀制成共混胶乳；
步骤1）中，水溶性高分子与CNTs的质量比为1:4-4:1；
步骤1）中，水溶性高分子包裹CNTs的制备条件为：将水溶性高分子与CNTs研磨15min~5h，加入CNT:水质量分数为1：100-1：1000，在功率50~500W、频率为10~10000Hz、温度10~100℃的条件下，超声分散15min~2h；
水溶性高分子为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸钠、淀粉衍生物、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、淀粉、***胶、藻蛋白酸钠、骨粉、明胶、干酪素的至少一种。
2.如权利要求1所述一种高强度、防静电的胶乳复合材料，其特征在于：聚合物胶乳为天然胶乳、丁苯胶乳、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物胶乳、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物胶乳、丁腈胶乳、聚醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯乳液、丙烯酸酯均聚物或共聚物乳液、甲基丙烯酸均聚物或共聚物乳液中的至少一种。
3.一种乳胶制品，其特征在于：按照权利要求1所述具体方法制备的共混胶乳，利用常规的联动生产线硫化方法制得。
4.权利要求3所述乳胶制品在高强度乳胶手套、乳胶模、导电材料、电磁屏蔽材料或阻隔材料中的应用。
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