CN115710391B - 一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料及其制备方法，选用白炭黑、AP、纳米Si3N4、SD共混，首先通过GMA对其进行生物基单体改性制备SiO2杂化材料，然后通过NBR对SiO2杂化材料进行大分子改性处理，制备SiO2/NBR杂化改性母炼胶与SSBR/BR共混，制备的橡胶复合材料除满足轮胎、橡胶输送带等橡胶制品的力学性能外，还具有优异的低滚动阻力性能、耐磨性能和抗湿滑性能，可降低轮胎、橡胶输送带等橡胶制品在使用过程中能源消耗，并延长其使用寿命，同时减少生产过程中的VOCS排放，工艺简单，易于制造。
Description
技术领域
本发明涉及橡胶复合材料技术领域，具体地说，是一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料及其制备方法。
背景技术
汽车轮胎、轨道交通橡胶制品、输送带、磨机橡胶衬里等矿山橡胶制品占世界橡胶消耗量的80%以上。科学研究表明，这些制品在使用过程中约有50%左右的动力消耗用于克服因橡胶变形而产生的滚动阻力。对汽车轮胎，降低滚动阻力可以节约燃油消耗，进而减少CO2和其它室温气体的排放；对输送带和磨机橡胶衬里，降低滚动阻力可以降低驱动功率，减少能源消耗。耐磨性能决定轮胎、输送带等橡胶制品使用寿命，提高耐磨性能可以延长其使用寿命，降低运行成本，另一方面，也可以一定程度地降低报废产品回收处理所造成的环境污染。现有技术的低滚阻橡胶材料采用溶聚丁苯橡胶(SSBR)与顺丁橡胶(BR)或天然橡胶(NR)作为基体材料，填料以白炭黑(SiO2)为主，并用部分炭黑(CB)，同时使用硅烷偶联剂来改善白炭黑与橡胶之间的相互作用，这种方式有效降低了复合材料的滚动阻力，但是硅烷偶联剂在改性处理白炭黑和硫化过程中会产生大量的VOCs，造成环境污染。同时，并用BR后复合材料的抗湿滑性能有所下降，并用NR后复合材料的耐磨性能有所下降。另外，虽然填充SiO2比CB具有更低的滚动阻力及更高的抗湿滑性能，但会使复合材料产生静电聚集效应，影响轮胎、输送带等产品的使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，除满足轮胎、橡胶输送带等橡胶制品的力学性能外，还具有优异的低滚动阻力性能、耐磨性能和抗湿滑性能，可降低轮胎、橡胶输送带等橡胶制品在使用过程中能源消耗，并延长其使用寿命，同时减少生产过程中的VOCS排放。
本发明的第二个目的是提供该橡胶复合材料的制备方法，工艺简单，易于制造。
本发明的目的通过下述方案予以实现。
本发明提供一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，所述的橡胶复合材料按重量比的组分组成是：
溶聚丁苯橡胶（SSBR- 2000R）50-60份，顺丁橡胶（BR-9000）20-30份，丁腈橡胶（NBR-2907） 20份，氧化锌4-6份，硬脂酸1-3份，硫磺2-2.2份，促进剂1.6-2.0份，防老剂2-3份，防护蜡1-2份，防焦剂CTP 0.6-1.0份，炭黑25-35份，白炭黑杂化材料35-45份，C9树脂6-8份。
所述的白炭黑杂化材料是白炭黑（SiO2）/芳纶浆粕(AP)/纳米氮化硅(Si3N4)/甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）/铝银粉（SD）的组合物，白炭黑（SiO2）/芳纶浆粕(AP)/纳米氮化硅(Si3N4)/甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）/铝银粉（SD）的质量占比为80%/8%/6%/5%/1%。
所述的促进剂选用促进剂CZ与促进剂TMTD的组合。
所述的防老剂选用防老剂RD与防老剂4020的组合。
所述的炭黑选择N134、N234、N358中的一种、两种或三种组合。
本发明所述的制备方法包括以下步骤：
（1）制备白炭黑杂化材料
将SiO2、AP、纳米Si3N4和SD投入捏合机中加热搅拌，搅拌速度为350-400转/分钟，加热至40-60℃，开始喷洒GMA，继续加热搅拌，在100℃-105℃的温度下搅拌10-15分钟，对混合物进行生物基单体改性，制成白炭黑杂化材料，冷却至常温备用；
（2）制备SiO2/NBR杂化改性母炼胶
将步骤（1）制备的白炭黑杂化材料加入密炼机中，密炼机转子转速20转/分钟，加热至70--80℃，然后加入NBR共混，对白炭黑杂化材料进行大分子改性，共混时间150-180秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却至常温，制成SiO2/NBR杂化改性母炼胶，停放8小时后使用；
（3）制备一段混炼胶
首先将SSBR、BR和步骤（2）制备的SiO2/NBR杂化改性母炼胶投入密炼机中，密炼机转子转速40转/分钟，混炼120-150秒，再投入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防焦剂、防护蜡、炭黑、C9树脂，继续混炼210-240秒，排胶温度130-135℃，出片，冷却，制成一段混炼胶，停放8小时后使用；
（4）制备二段混炼胶
将步骤（3）制备的一段混炼胶及硫磺、促进剂投入密炼机中，密炼机转子速度20转/分钟，混炼100-120秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却，制得二段混炼胶，即为本发明的低滚阻高耐磨的橡胶复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
1、选用SiO2、AP、纳米Si3N4、SD共混，首先通过GMA对其进行生物基单体改性制备白炭黑杂化材料，然后通过NBR对白炭黑杂化材料进行大分子改性处理，制备SiO2/NBR杂化改性母炼胶与SSBR/BR共混，制备的橡胶复合材料具有优异的低滚动阻力性能、耐磨性能和抗湿滑性能。
2、使用生物基单体-甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）替代硅烷偶联剂对SiO2杂化材料进行改性处理，可减少改性处理和硫化过程中的VOCs的排放，有利于保护环境。GMA的加入，可使白炭黑杂化材料分散更均匀，Payne效应减弱，同时复合材料的硫化时间缩短，滚动阻力降低，力学性能提高。
3、使用NBR对白炭黑杂化材料进行大分子改性，可有效包覆白炭黑杂化材料，而且将NBR先与白炭黑杂化材料混合制备SiO2/NBR杂化改性母炼胶再与SSBR/BR共混，可以在较大提高硫化橡胶抗湿滑性能的同时，提高了硫化橡胶的耐磨性能，并有效降低硫化橡胶的滚动阻力。
4、在SiO2中加入AP、纳米Si3N4，再进行生物基单体改性和大分子改性，使硫化橡胶的低滚动阻力性能和耐磨耗性能显著提高。
5、在白炭黑杂化材料中加入SD，有效解决了白炭黑杂化材料的静电集聚效应问题，在提高硫化橡胶的导电性能的同时，也改善了硫化橡胶的耐磨性能和低滚动阻力性能。
具体实施方式
通过下述实施例有助于对本发明的理解，但不能限制本发明的内容。
实施例1
本实施例提供一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，所述的复合材料按重量比的组分组成是：
SSBR-2000R 50份，BR-9000 30份，NBR-2907 20份，氧化锌6份，硬脂酸1份，硫磺2份，促进剂CZ 1份，促进剂TDTM 0.6份，防老剂RD 1份，防老剂4020 1份，防护蜡1份，防焦剂CTP 0.8份，炭黑N134 15份，炭黑358 10份，白炭黑杂化材料45份，C9树脂6份。
所述的白炭黑杂化材料是SiO2/AP/纳米Si3N4/GMA/SD的组合物，SiO2/AP/纳米Si3N4/GMA/SD的质量占比为80%/8%/6%/5%/1%。
本发明所述的制备方法包括以下步骤：
（1）制备白炭黑杂化材料
将SiO2、AP、纳米Si3N4和SD投入捏合机中加热搅拌，搅拌速度为350-400转/分钟，加热至40-60℃，开始喷洒GMA，继续加热搅拌，在100℃-105℃的温度下搅拌10-15分钟，对混合物进行生物基单体改性，制成白炭黑杂化材料，冷却至常温备用。
（2）制备SiO2/NBR杂化改性母炼胶
将步骤（1）制备的白炭黑杂化材料加入密炼机中，密炼机转子转速20转/分钟，加热至70--80℃，然后加入NBR共混，对白炭黑杂化材料进行大分子改性，共混时间150-180秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却至常温，制成SiO2/NBR杂化改性母炼胶，停放8小时后使用。
（3）制备一段混炼胶
首先将SSBR、BR和步骤（2）制备的SiO2/NBR杂化改性母炼胶投入密炼机中，密炼机转子转速40转/分钟，混炼120-150秒，再投入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防焦剂、防护蜡、炭黑、C9树脂，继续混炼210-240秒，排胶温度130-135℃，出片，冷却，制成一段混炼胶，停放8小时后使用。
（4）制备二段混炼胶
将步骤（3）制备的一段混炼胶及硫磺、促进剂投入密炼机中，密炼机转子速度20转/分钟，混炼100-120秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却，制得二段混炼胶，即为本发明的低滚阻高耐磨的橡胶复合材料。
在平板硫化机上硫化（温度 150℃，压力 10MPa,时间 20min）,本实施例的橡胶复合材料的检测数据见表1。
实施例2
本实施例提供一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，所述的复合材料按重量比的组分组成是：
SSBR- 2000R 55份，BR-9000 25份，NBR-2907 20份，氧化锌5份，硬脂酸2份，硫磺2.1份，促进剂CZ 1份，促进剂TDTM 0.8份，防老剂RD 1.5份，防老剂4020 1份，防护蜡1.5份，防焦剂CTP 0.6份，炭黑N134 20份，炭黑358 10份，白炭黑杂化材料40份，C9树脂7份。
所述的白炭黑杂化材料是SiO2/AP/纳米Si3N4/GMA/SD的组合物，五种组分的质量比为80%/8%/6%/5%/1%。
本发明所述的制备方法包括以下步骤：
（1）制备白炭黑杂化材料
将SiO2、AP、纳米Si3N4和SD投入捏合机中加热搅拌，搅拌速度为350-400转/分钟，加热至40-60℃，开始喷洒GMA，继续加热搅拌，在100℃-105℃的温度下搅拌10-15分钟，对混合物进行生物基单体改性，制成白炭黑杂化材料，冷却至常温备用。
（2）制备SiO2/NBR杂化改性母炼胶
将步骤（1）制备的白炭黑杂化材料加入密炼机中，密炼机转子转速20转/分钟，加热至70--80℃，然后加入NBR共混，对白炭黑杂化材料进行大分子改性，共混时间150-180秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却至常温，制成SiO2/NBR杂化改性母炼胶，停放8小时后使用。
（3）制备一段混炼胶
首先将SSBR、BR和步骤（2）制备的SiO2/NBR杂化改性母炼胶投入密炼机中，密炼机转子转速40转/分钟，混炼120-150秒，再投入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防焦剂、防护蜡、炭黑、C9树脂，继续混炼210-240秒，排胶温度130-135℃，出片，冷却，制成一段混炼胶，停放8小时后使用。
（4）制备二段混炼胶
将步骤（3）制备的一段混炼胶及硫磺、促进剂投入密炼机中，密炼机转子速度20转/分钟，混炼100-120秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却，制得二段混炼胶，即为本发明的低滚阻高耐磨的橡胶复合材料。
在平板硫化机上硫化（温度 150℃，压力 10MPa,时间 20min）,本实施例的橡胶复合材料的检测数据见表1。
实施例3
本实施例提供一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，所述的复合材料按重量比的组分组成是：
SSBR- 2000R 60份，BR-9000 20份，NBR-2907 20份，氧化锌6份，硬脂酸1份，硫磺2.2份，促进剂CZ 1份，促进剂TDTM 1份，防老剂RD 2份，防老剂4020 1份，防护蜡2份，防焦剂CTP 1份，炭黑N234 20份，炭黑358 15份，白炭黑杂化材料35份，C9树脂8份。
所述的白炭黑杂化材料是SiO2/AP/纳米Si3N4/GMA/SD的组合物，五种组分的质量比为80%/8%/6%/5%/1%。
本发明所述的制备方法包括以下步骤：
（1）制备白炭黑杂化材料
将SiO2、AP、纳米Si3N4和SD投入捏合机中加热搅拌，搅拌速度为350-400转/分钟，加热至40-60℃，开始喷洒GMA，继续加热搅拌，在100℃-105℃的温度下搅拌10-15分钟，对混合物进行生物基单体改性，制成白炭黑杂化材料，冷却至常温备用。
（2）制备SiO2/NBR杂化改性母炼胶
将步骤（1）制备的白炭黑杂化材料加入密炼机中，密炼机转子转速20转/分钟，加热至70--80℃，然后加入NBR共混，对白炭黑杂化材料进行大分子改性，共混时间150-180秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却至常温，制成SiO2/NBR杂化改性母炼胶，停放8小时后使用。
（3）制备一段混炼胶
首先将SSBR、BR和步骤（2）制备的SiO2/NBR杂化改性母炼胶投入密炼机中，密炼机转子转速40转/分钟，混炼120-150秒，再投入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防焦剂、防护蜡、炭黑、C9树脂，继续混炼210-240秒，排胶温度130-135℃，出片，冷却，制成一段混炼胶，停放8小时后使用。
（4）制备二段混炼胶
将步骤（3）制备的一段混炼胶及硫磺、促进剂投入密炼机中，密炼机转子速度20转/分钟，混炼100-120秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却，制得二段混炼胶，即为本发明的低滚阻高耐磨的橡胶复合材料。
在平板硫化机上硫化（温度 150℃，压力 10MPa,时间 20min）,本实施例的橡胶复合材料的检测数据见表1。
表1、检测数据
。
Claims (4)
1.一种低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，其特征在于：按重量比的组分组成是：
溶聚丁苯橡胶SSBR- 2000R 50-60份，顺丁橡胶BR-9000 20-30份，丁腈橡胶NBR-290720份，氧化锌4-6份，硬脂酸1-3份，硫磺2-2.2份，促进剂1.6-2.0份，防老剂2-3份，防护蜡1-2份，防焦剂CTP 0.6-1.0份，炭黑25-35份，白炭黑杂化材料35-45份，C9树脂6-8份；
所述的白炭黑杂化材料是白炭黑/芳纶浆粕/纳米Si3N4/甲基丙烯酸缩水甘油酯/铝银粉的组合物，白炭黑/芳纶浆粕/纳米Si3N4/甲基丙烯酸缩水甘油酯/铝银粉的质量占比为80%/8%/6%/5%/1%；
低滚阻高耐磨的橡胶复合材料的制备包括以下步骤：
（1）制备白炭黑杂化材料
将白炭黑、芳纶浆粕、纳米Si3N4和铝银粉投入捏合机中加热搅拌，搅拌速度为350-400转/分钟，加热至40-60℃，开始喷洒甲基丙烯酸缩水甘油酯，继续加热搅拌，在100℃-105℃的温度下搅拌10-15分钟，对混合物进行生物基单体改性，制成白炭黑杂化材料，冷却至常温备用；
（2）制备白炭黑/丁腈橡胶杂化改性母炼胶
将步骤（1）制备的白炭黑杂化材料加入密炼机中，密炼机转子转速20转/分钟，加热至70--80℃，然后加入丁腈橡胶共混，对白炭黑杂化材料进行大分子改性，共混时间150-180秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却至常温，制成白炭黑/丁腈橡胶杂化改性母炼胶，停放8小时后使用；
（3）制备一段混炼胶
首先将溶聚丁苯橡胶、顺丁橡胶和步骤（2）制备的白炭黑/丁腈橡胶杂化改性母炼胶投入密炼机中，密炼机转子转速40转/分钟，混炼120-150秒，再投入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防焦剂、防护蜡、炭黑、C9树脂，继续混炼210-240秒，排胶温度130-135℃，出片，冷却，制成一段混炼胶，停放8小时后使用；
（4）制备二段混炼胶
将步骤（3）制备的一段混炼胶及硫磺、促进剂投入密炼机中，密炼机转子速度20转/分钟，混炼100-120秒，排胶温度90-100℃，出片，冷却，制得二段混炼胶。
2.如权利要求1所述的低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，其特征在于：所述的促进剂选用促进剂CZ与促进剂TMTD的组合。
3.如权利要求1所述的低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，其特征在于：所述的防老剂选用防老剂RD与防老剂4020的组合。
4.如权利要求1所述的低滚阻高耐磨的橡胶复合材料，其特征在于：所述的炭黑选择N134、N234、N358中的一种、两种或三种组合。
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