[发明专利]高分散碳纳米管母炼胶的液相连续混炼工艺及其橡胶制品

说明书

本发明公开了一种碳纳米管母炼胶的液相连续制备方法，该方法包括：制备碳纳米管悬浮液；将所述碳纳米管的悬浮液与橡胶溶液/乳液和任选的橡胶配合剂溶液/悬浮液连续分散与混合，得到碳纳米管/橡胶/溶剂混合物；对所述碳纳米管/橡胶/溶剂混合物同时进行凝固与连续挤压，以实现碳纳米管取向，去除水或溶剂之后得到碳纳米管/橡胶混合物；对所述碳纳米管/橡胶混合物进行连续干燥，得到碳纳米管母炼胶。本发明还包括通过该液相连续制备方法制得的碳纳米管母炼胶和采用所述碳纳米管母炼胶制得的橡胶制品。

技术领域

本发明涉及碳纳米管/橡胶复合材料领域，尤其涉及碳纳米管母炼胶的液相连续混炼工艺，制备高分散和高取向的碳纳米管母炼胶的方法及这些工艺在橡胶制品中的应用。

背景技术

在现代橡胶工业中，大多数橡胶必须经过补强才能具有高机械强度和长期使用寿命等实用价值。除了骨架材料之外，目前最通用的增强橡胶的方法是加入各种粉粒状或其他形状的补强剂，如纳米尺寸的炭黑、白炭黑或其他硬质颗粒，和各种有机/无机短纤维。但是，炭黑、短纤维和其他有机补强剂完全依赖于石油工业，因此必然随着石油资源的日益减少，会受到越来越严重的限制。纳米尺寸的白炭黑不仅具有与炭黑相近的补强性能，而且由于表面改性和偶联更赋予橡胶某些优异的性能，例如含有溶聚丁苯橡胶的胎面胶加入偶联改性的白炭黑之后，抗湿滑性能和滚动阻力得到显著改善。然而使用白炭黑对橡胶进行补强时，需要考虑白炭黑、橡胶品种和偶联剂品种的匹配，否则力学性能无法达到显著的改善；而且混炼过程中白炭黑表面性质与橡胶相差极大，很难混入到橡胶中，难以分散均匀，必须经过多段混炼工艺，生产能耗大、周期长，否则白炭黑的不良分散会导致胶料强度降低、性能下降。除了上述缺点，炭黑、白炭黑等纳米材料由于粒子尺寸极小、容易飞扬，废气、废水排放量大，在生产和应用中均存在严重的环境污染问题。因此，补强性能更好的填料和环境污染更小的加工工艺，一直是橡胶科研工作者的研究重点之一。

碳纳米管是一种主要由碳六边形组成的单层或多层纳米级管状材料，其优良的物理机械性能和类似炭黑的表面性质，使其在橡胶领域中具有极强的应用价值[CN102924763A，CN 102321879A，CN 102344587A，CN 103694505A，CN 102630238A，CN102630244A等]。碳纳米管的杨氏模量约为1.8TPa，拉伸强度约为200GPa，比钢高100倍，密度却只有钢的1/6到1/7。碳纳米管的弹性应变最高可达12％左右，拥有良好的柔韧性。碳纳米管的电导率和导热性也非常好。因此碳纳米管是一种潜在的代替炭黑或白炭黑的纳米填料。但是由于碳纳米管的强表面效应等纳米材料特性，导致碳纳米管之间非常容易发生团聚和缠结，采用普通的机械混炼工艺难以在橡胶基体材料中分散均匀，往往造成橡胶制品的力学性能无法明显改善甚至变差，因此限制了其在橡胶工业中的应用。