CN110317381A - 一种利用硅烷偶联剂制备的活化改性废胎胶粉及其制备方法 - Google Patents

一种利用硅烷偶联剂制备的活化改性废胎胶粉及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用硅烷偶联剂制备的活化改性废胎胶粉及其制备方法，制备方法包括以下步骤：1）选取废胎胶粉并测试其基本性能指标；2)利用不同种类的硅烷偶联剂对废胎胶粉进行化学改性；3）测试经过化学改性前、后废胎胶粉的接触角，确定一种适宜的利用化学改性法制备活化改性废胎胶粉的方法。本发明在废胎胶粉表面引入大量活性基团，产生活性物质，从而提升了废胎胶粉的亲水性，该方法简单、容易操作、耗能低、成本低。

Description

一种利用硅烷偶联剂制备的活化改性废胎胶粉及其制备方法
技术领域
本发明属于道路建筑材料制备技术领域，涉及一种利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法。
背景技术
随着汽车工业的迅速发展，我国已成为全球最大的汽车消费国。截至2018年底我国汽车保有量已经突破3.10亿辆，其中每年产生的废弃轮胎数量高达2.99亿条且以8％-10％的速度在快速增长，堆积如山的废弃轮胎不但占用一定的土地资源，而且极易引发火灾，造成环境污染等社会、环保与安全问题。废弃轮胎中所含有的橡胶(以下简称废胎胶粉)仍具有类似于纤维的高弹性特性，将其应用在道路用沥青混凝土和水泥混凝土中可吸收体系内产生的各种应力，减少微裂纹产生，抑制材料的收缩变形，从而阻止或减缓由于微裂纹或收缩变形而引起的材料断裂，具有良好的路用性能和应用前景。
由于胶粉归属为有机高分子材料，表面惰性强、极性低、具有一定的憎水性，而水泥混凝土为无机非金属材料，亲水性强，两者之间的界面黏附性差，极易造成胶粉与水泥基体界面连接不密实、界面过渡区结构松散等问题，导致水泥混凝土抗折、抗压强度等有所降低。因此，为了尽可能地减少胶粉对水泥混凝土强度的不利影响，国内外研究者对胶粉进行一定的表面改性，提高其亲水性和极性，增强其与水泥基体的界面相互作用及黏结强度。
牟东兰采用次氯酸钠对硫化橡胶粉进行表面氧化改性研究，通过X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、接触角测量对样品进行了表征和分析，并对其最佳工艺条件进行了探究。通过实验表明，氧化剂用量、反应温度及反应时间对胶粉的氧化反应都有影响。其最佳工艺条件的氧化剂用量为40％，反应温度为40℃左右，反应时间为3小时。
额日德木等选用司班40(山梨糖醇酐单棕榈酸酯)对胶粉进行表面改性，通过水泥胶砂力学性能试验和微观结构分析发现，改性胶粉的亲水性明显增强，表面更圆润、连续，与水泥胶砂的融合能力以及水泥胶砂试件的抗压、抗折强度都有所提高。
Segre Nadia等通过IR红外光谱、电位滴定和接触角测试了饱和NaOH溶液处理后胶粉的化学官能团和物理结构，发现处理后的胶粉表面上的硬脂酸锌减少，改善了胶粉与水泥基体的黏结性。
Onuaguluchi O.采用石灰石粉和硅灰涂层改性胶粉并测试了胶粉水泥混凝土的抗压强度和抗弯拉强度，发现涂层改性后的胶粉与水泥的界面黏结强度以及胶粉水泥混凝土的抗压强度和抗弯拉强度提高显著。
Muoz-Sánchez B等人利用CH3COOH和Ca(OH)2对胶粉表面进行改性，用IR红外光谱表征胶粉改性效果，从砂浆的硬化时间和硬化效果可知改性后胶粉改善了砂浆在挠曲和抗压强度方面的性能。
Rostami用水、CCl4溶液及胶乳对胶粉进行处理，研究表明胶粉经过水清洗制得的混凝土和胶粉未经水清洗制得的混凝土相比，抗压强度可提高16％，当胶粉经CCl4溶剂处理后掺入混凝土中后，抗压强度可提高57％。
在废胎胶粉的表面改性技术方面，现有技术的研究通过在胶粉表面引入活性基团或者清洗掉表面的一些憎水性杂质来提高废胎胶粉表面活性，但对方法缺乏***性总结。因此，有必要通过优化废胎胶粉表面活性的改性方法，来提出一种最佳的利用化学改性法来提高废胎胶粉表面活性和亲水性的方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：选取废胎胶粉并测试其基本性能指标；
步骤二：利用不同种类的硅烷偶联剂对废胎胶粉进行化学改性；
步骤三：测试经过化学改性前、后废胎胶粉的接触角，确定一种适宜的利用化学改性法制备活化改性废胎胶粉的方法。
优选的是，步骤一中，废胎胶粉的粒径大小为20-100目。
在上述任一方案中优选的是，步骤一中，废胎胶粉基本性能指标至少包括筛余物、相对密度、含水量、纤维含量、灰分、炭黑含量以及橡胶烃含量。
在上述任一方案中优选的是，步骤一中，废胎胶粉的筛余物<10％，相对密度为1.1-1.3，含水量<1％，纤维含量<1％，灰分为≤8％，碳黑含量为≥28％，橡胶烃含量为≥48％。
在上述任一方案中优选的是，步骤一中，废胎胶粉的筛余物为8％，相对密度为1.13，含水量为0.5％，纤维含量为0％，灰分为7.5％，碳黑含量为30％，橡胶烃含量为48％。
在上述任一方案中优选的是，步骤二中，硅烷偶联剂为KH550。
在上述任一方案中优选的是，步骤二中，硅烷偶联剂为KH560。
在上述任一方案中优选的是，步骤二中，硅烷偶联剂为KH570。
本发明选用硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570对废胎胶粉进行化学改性，再通过接触角对三种改性方法进行比较，确定一种适宜的废胎胶粉活化改性方法。
在上述任一方案中优选的是，步骤二具体改性过程为：
(1)乙醇溶液与硅烷偶联剂KH550搅拌10～15min，静置水解1～1.5h后备用；
(2)将废胎胶粉与备好的溶液混合，搅拌10～15min，静置1～1.5h后过滤并用清水反复清洗2～3遍；
(3)在100℃烘箱烘4～5h至饱和面干。
在上述任一方案中优选的是，步骤二改性过程中胶粉的质量为80～100g，乙醇的质量分数是70％，乙醇的用量为800～1000ml，硅烷偶联剂KH550的用量为胶粉质量的2％。
在上述任一方案中优选的是，步骤二改性过程中所用的制备仪器为带有温控装置和搅拌子的磁力搅拌器，搅拌速度为1500～1700r/min，温度为25℃。
在上述任一方案中优选的是，步骤二具体改性过程为：
(1)用甲酸调整水的pH值至3～4，加入硅烷偶联剂KH560搅拌2～3h，直到完全溶解后用氨水将溶液pH值调整至8～10；
(2)将废胎胶粉与备好的溶液混合，搅拌10～15min将其调成糊状，静置1～1.5h后过滤不水洗；
(3)在100℃烘箱烘4～5h至饱和面干。
在上述任一方案中优选的是，步骤二改性过程中废胎胶粉的质量为80～100g，水的用量为800～1000ml，硅烷偶联剂KH560的用量为胶粉质量的2％，氨水的质量分数为5％。
在上述任一方案中优选的是，步骤二改性过程中所用的制备仪器为带有温控装置和搅拌子的磁力搅拌器，搅拌速度为1500～1700r/min，温度为25℃。
在上述任一方案中优选的是，步骤二具体改性过程为：
(1)先用甲酸调整水的pH值至3～4，加入硅烷偶联剂KH570搅拌2～3h，直到完全溶解后用氨水将溶液pH值调整至8～10；
(2)将废胎胶粉与备好的溶液混合，搅拌10～15min将其调成糊状，静置1～1.5h后过滤不水洗；
(3)在100℃烘箱烘4～5h至饱和面干。
在上述任一方案中优选的是，步骤二改性过程中废胎胶粉的质量为80～100g，水的用量为800～1000ml，硅烷偶联剂KH570的用量为胶粉质量的2％，氨水的质量分数为5％。
在上述任一方案中优选的是，步骤二改性过程中所用的制备仪器为带有温控装置和搅拌子的磁力搅拌器，搅拌速度为1500～1700r/min，温度为25℃。
在上述任一方案中优选的是，步骤三中，改性前、后废胎胶粉的接触角测试采用的仪器为德国公司的DSA100光学接触角测定仪。
在上述任一方案中优选的是，步骤三中，测试改性前、后废胎胶粉的接触角时，废胎胶粉平铺在玻璃片上并使其表面平整。
在上述任一方案中优选的是，步骤三中，测试改性前、后废胎胶粉的接触角时，滴定方法选用座滴法，每个样品至少选取4个不同的位置进行测量并取平均值。
本发明还提供一种活化改性废胎胶粉，利用以上所述的任一技术方案所述的方法制备。
本发明是一种利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，在废胎胶粉表面引入大量活性基团，产生活性物质，从而提升废胎胶粉的亲水性，本发明的制备方法是一种经济实用的方法，且该方法简单、容易操作、耗能低、成本低。
附图说明
图1为按照本发明一优选实施例的废胎胶粉搅拌图；
图2为按照本发明的图1所示实施例的废胎胶粉清水清洗图；
图3为按照本发明的图1所示实施例的废胎胶粉烘干图；
图4为按照本发明的图1所示实施例的溶液PH调节图；
图5为按照本发明的图1所示实施例的3种不同改性方法改性前、后废胎胶粉的接触角测试图；
具体实施方式
以下结合具体实例对本发明做进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例
1.胶粉的选取及性能测试
本实施例所选废胎胶粉来自石家庄某产品加工厂，其基本性能指标都能符合标准(JTT 797-2011)《路用废胎硫化废胎胶粉》中规定的相应技术要求，具体的性能检测结果见表1。
表1基本性能指标
本实施例中选用化学试剂有：硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570。
2.胶粉的活化改性
硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，其通式为RSiX3，式中R代表氨基、巯基、乙烯基、环氧基、氰基及甲基丙乙烯酰氧基等基团，这些基团和不同的基体树脂均具有较强的反应能力，X代表能够水解的基团，如卤素、烷氧基、酰氧基等。因此，硅烷偶联剂既能与无机物中的羟基又能与有机聚合物中的长分子链相互作用，使两种不同性质的材料偶联起来，从而改善生物材料的各种性能。因此，广泛应用在在橡胶、塑料、填充复合材料、环氧封装材料、弹性体、涂料、粘合剂和密封剂等方面。
硅烷偶联剂作用机理：在两种不同性质材料之间的界面作用机理已有多种解释，如化学键理论、可逆平衡理论和物理吸附理论等。但是，界面现象非常复杂，单一的理论往往难以充分说明。通常情况下，化学键合理论能够较好地解释硅烷偶联剂同无机材料之间地作用。根据这一理论，硅烷偶联剂在不同材料界面的偶联过程是一个复杂的液固表面物理化学过程。首先，硅烷偶联剂的粘度及表面张力低，润湿能力较高，对玻璃、陶瓷及金属表面的接触角小，可在其表面迅速铺展开，使无机材料表面被硅烷偶联剂润湿；其次，一旦硅烷偶联剂在其表面铺展开，材料表面被浸润，硅烷偶联剂分子上的两种基团便分别向极性相近的表面扩散，由于大气中的材料表面总吸附着薄薄的水层，一端的烷氧基便水解成硅羟基，取向于无机材料表面，同时与材料表面的羟基发生水解缩聚反应；有机基团则取向于有机材料表面，在交联固化中，二者发生化学反应，从而完成了异种材料间的偶联过程。
利用硅烷偶联剂KH550对废胎胶粉进行活化改性，具体过程如下：
(1)取800ml 70％质量分数的乙醇溶液放在烧杯中，加入2g的硅烷偶联剂KH-550，在磁力搅拌器上搅拌10min，静置水解1h后备用。
(2)将100g20目废胎胶粉与备好的溶液混合，放在磁力搅拌器上搅拌10min，搅拌速度为1500r/min(图1)。
(3)静置1h后过滤并用清水反复清洗2遍(图2)。
(4)于100℃烘箱烘4h至饱和面干，制得改性后的废胎胶粉(图3)。
利用硅烷偶联剂KH560对废胎胶粉进行活化改性，具体过程如下：
(1)取800ml水，用甲酸调整水的pH值至3～4，加入2g硅烷偶联剂KH-560/KH-570，连续搅拌2h，搅拌速度为1500r/min，直到完全溶解。
(2)使用5％氨水将溶液pH值调整至8～10(图4)。
(3)加入100g20目废胎胶粉，用硅烷偶联剂溶液将其调成糊状。
(4)过滤，不水洗，于100℃烘箱烘4h至饱和面干，制得改性后的废胎胶粉。
利用硅烷偶联剂KH570对废胎胶粉进行活化改性，具体过程如下：
(1)取800ml水，用甲酸调整水的pH值至3～4，加入2g硅烷偶联剂KH-560/KH-570，连续搅拌2h，搅拌速度为1500r/min，直到完全溶解。
(2)使用5％氨水将溶液pH值调整至8～10。
(3)加入100g20目废胎胶粉，用硅烷偶联剂溶液将其调成糊状。
(4)过滤，不水洗，于100℃烘箱烘4h至饱和面干，制得改性后的废胎胶粉。
未处理对照组
选取100g20目干燥的废胎胶粉。
3.胶粉的活化改性后性能比较
改性前、后废胎胶粉的接触角测试采用的仪器为德国公司的DSA100光学接触角测定仪。
测试3种不同改性方法改性前、后废胎胶粉以及对照组的接触角，测试方法大致如下：
①将废胎胶粉平铺在玻璃片上并使其表面平整；
②滴定方法选用座滴法，每个样品选取5个不同的位置进行测量并取平均值。
测得的3种不同改性方法改性前、后废胎胶粉的接触角见下表图5。
由图5可知，3种化学改性后废胎胶粉接触角大小关系为：KH-550改性＜KH-570改性＜KH-560改性。接触角越小，改性效果越好。因此3种改性方法中溶液改性效果为KH-550改性效果最好，KH-570改性效果次之，KH-560改性效果最差。
综上所述，选用硅烷偶联剂KH550化学改性为一种适宜的废胎胶粉表面活化改性方法。
本领域技术人员不难理解，本发明的一种利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法包括上述发明说明书的发明内容和具体实施方式部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：选取废胎胶粉并测试其基本性能指标；
步骤二：利用不同种类的硅烷偶联剂对废胎胶粉进行化学改性；
步骤三：测试经过化学改性前、后废胎胶粉的接触角，确定一种适宜的利用化学改性法制备活化改性废胎胶粉的方法。
2.如权利要求1利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，步骤一中废胎胶粉的粒径大小为20-100目。
3.如权利要求2利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，步骤一中废胎胶粉基本性能指标至少包括筛余物、相对密度、含水量、纤维含量、灰分、炭黑含量以及橡胶烃含量。
4.如权利要求3利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，废胎胶粉的筛余物<10%，相对密度为1.1-1.3，含水量<1%，纤维含量<1%，灰分为≤8%，碳黑含量为≥28%，橡胶烃含量为≥48%。
5.如权利要求4利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，废胎胶粉的筛余物为8%，相对密度为1.13，含水量为0.5%，纤维含量为0%，灰分为7.5%，碳黑含量为30%，橡胶烃含量为48%。
6.如权利要求5利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，步骤二中，硅烷偶联剂为KH550。
7.如权利要求5利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，步骤二中，硅烷偶联剂为KH560。
8.如权利要求5利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，步骤二中，硅烷偶联剂为KH570。
9.如权利要求6利用硅烷偶联剂制备活化改性废胎胶粉的方法，其特征在于，步骤二具体改性过程为：
（1）乙醇溶液与硅烷偶联剂KH550搅拌10~15min，静置水解1~1.5h后备用；
（2）将废胎胶粉与备好的溶液混合，搅拌10~15min，静置1~1.5h后过滤并用清水反复清洗2~3遍；
（3）在100℃烘箱烘4~5h至饱和面干。
10.一种活化改性废胎胶粉，包括利用化学改性剂对废胎胶粉进行改性，其特征在于，利用权利要求1-9所述的任一权利要求所述的方法制备。
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