层状硅酸盐橡胶纳米复合材料的结构、性能、产业化及其在轮胎工业中应用.pdfVIP

张立群等．层状硅酸盐／橡胶纳米复合材料的结构、性能、产业化及其在轮胎工业中的应用 239 层状硅酸盐／橡胶纳米复合材料的结构、性能、 产业化及其在轮胎工业中的应用 张立群1’2，吴友平1’2，王益庆1’2，何少剑1’2，卢咏来1’2，傅智奎3 (1．北京化工大学先进弹性体材料研究中心，北京100029；z．北京化工大学教育部纳米材料制备与应用科学重点 实验室，北京 100029；3．四平市刘房子矿业有限公司，吉林四平136103) 摘要：介绍粘土晶层水分散体／橡胶乳液共混共凝制备纳米复合材料的原理、复合材料的特有结构和性能以及在 轮胎工业中的应用。层状硅酸盐／橡胶纳米复合材料具有优异的静态物理性能、气体阻隔性能、耐疲劳性能以及一定 的阻燃性能和抗烧蚀性能。应用于轮胎内胎、工程机械轮胎胎面和输送带覆盖胶等可提高产品性能。 关键词：层状硅酸盐；牯土；橡胶；纳米复合材料 聚合物纳米复合材料是当今材料科学与工程 本结构和性能及其在轮胎工业中的应用。 领域的研究热点，其中以粘土为分散相前体的层 状硅酸盐／聚合物纳米复合材料由于性能优异而 l 纳米复合材料的制备机理和分散结构 特别受到重视。尽管如此，至今大规模产业化的 将层状硅酸盐矿物，如粘土、累托石等以较低 聚合物纳米复合材料及其制品还很少，美国麻省 的浓度浸入水中，利用层间阳离子(如钠离子、钙 大学的著名学者Russell教授2006年发表文章离子)强烈的水化作用，在强烈搅拌作用下，使矿 认为，缺少低成本、高性能的制备纳米复合材料的 物自有的片层结构以纳米水平解离分散在水中， 方法是导致这一现状的原因之一，而另一原因则 形成层状硅酸盐片层／水的纳米水分散体；利用许 是对其复杂结构一性能之间关系认识上的匮乏。 多sR由乳液聚合而来，而乳胶粒子的直径一般 大量的研究和工业应用表明，纳米粒子对橡 为50～200nm这一结构优势，将层状硅酸盐片 胶的高效增强是必需的[1]。张立群等[2]也阐述了层纳米水分散体与橡胶胶乳通过搅拌均匀混合， 纳米增强橡胶的内在机理。在橡胶中纳米水平分 然后加入絮凝剂使混合体系快速共絮凝。通过控 散的层状硅酸盐能够显著地提高橡胶的强度，且 制水分散体的固含量、混合工艺以及共絮凝剂的 由于片层效应而具有良好的气体阻隔性能、阻燃 种类和加入方式，能够阻止纳米无机片层在共絮 性能以及抵抗裂纹扩展的能力。但是，要使资源 凝时的自聚集，实现其在橡胶基体中的纳米水平 丰富但内聚力很强的层状硅酸盐类矿物颗粒(如 的分散。该方法的分散机理如图l所示，所制备 粘士、累托石)以纳米层形式解离分散在橡胶基 的各种橡胶基体纳米复合材料的微观结构如图2 体中不是一件容易的事情。传统的机械混炼无法 和3所示。 拆分粘土片层结构，人们发展了单体原位聚合方 从图2可以看出，成功制备出了粘土／SBR、 法、可反应性液体橡胶插层分散方法、有机粘土／ 粘土／NBR、粘土／NR和粘土／羧基丁腈橡胶 橡胶熔体共混插层分散方法以及乳液复合法 (CNBR)纳米复合材料。此外，还制备了粘土／ 等[1]。其中，北京化工大学发明的乳液复合法易 CR、粘土／丁苯吡橡胶和粘土／丙烯酸酯橡胶等纳 于工业化[3]，工艺成本低，产品性价比高。目前， 米复合材料。结合图2和3可以发现，在这些复 在吉林四平建设了我国第1条，也是世界上第1 合材料中，粘土片层呈现出单片分散(厚度1nm) 条万吨级规模的纳米复合材料生产线。本文重点 和多片聚集分散(厚度小于100nm)相结合的“隔 介绍乳液复合法的制备机理、纳米复合材料的基 离型”分散结构。乳液复合法工艺简单，能耗低， 240 第15届中国轮胎技术研讨会论文集