石墨烯预分散母胶粒及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯预分散母胶粒，其重量百分比组成为：石墨烯10～60%，橡胶载体9～36%，硅烷偶联剂3～10%，硬脂酸钙2～8%，环烷油5～12%，无机填料5～25%；本发明专利技术以橡胶载体为基材，同时添加硅烷偶联剂、硬脂酸钙、环烷油、无机填料，将石墨烯制备为预分散母胶粒形式，使石墨烯包裹于橡胶载体中，并使石墨烯均匀预分散于母胶粒中，避免了石墨烯的团聚，保证石墨烯在后续橡胶制品中能够得到均匀分散；该母胶粒便于保存、运输和称量，可有效提高石墨烯的利用率，降低成本，可具体应用于对加工性能、交联密度、拉伸性能、耐老化性能、滚动阻力、磨耗性能、抗湿滑性能要求较高的轮胎胎面胶，也可应用于其他高品质橡胶制品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及橡胶助剂预分散造粒
，具体是一种石墨烯预分散母胶粒及其制备方法和应用。
技术介绍
石墨烯是一种碳原子在二维平面内紧密堆积形成二维蜂窝晶格的新型碳材料。目前石墨烯是世界上最薄但却最坚硬的纳米材料，其几乎完全透明，仅吸收2.3 %的光；其导热系数达5300 W/m·K，远高于金刚石和碳纳米管；常温下，其电子迁移率达15000 cm2/V·s，远高于碳纳米管和硅晶体；其电阻率约为10-6 Ω·cm，导电性优异，与某些金属相当；其具有高的比表面积，极限值可达2630 m2/g。由于石墨烯表现出的独特特性，其在橡胶、纳米器件、复合材料、传感器、锂电池、储氢材料等领域有着巨大的应用前景。然而，石墨烯应用于橡胶中还存在较多问题。石墨烯厚度小，比表面积大，通常以多层形态存在，在橡胶混炼过程中团聚严重，导致其在橡胶中不能均匀分散，对橡胶品质造成不利影响。石墨烯的分散与石墨烯表面化学、石墨烯与橡胶界面关系以及复合材料的制备方法关系密切。石墨烯在橡胶矩阵中由于片与片之间的范德华力，具有较高的团聚趋势，因此石墨烯在橡胶中的均匀分散是一个技术难题。但目前尚缺乏可应用于工业化生产的石墨烯分散方面的相关技术，石墨烯及其橡胶复合材料的研究仍停留在实验室阶段，无法实现规模化生产。因此，针对石墨烯在橡胶中的分散困难及用量大的问题，有必要开发出适合规模化工业生产的解决办法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是：针对石墨烯在橡胶中的分散困难及用量大的问题，提供一种石墨烯预分散母胶粒，该石墨烯预分散母胶粒便于保存、运输和称量，可有效提高石墨烯的利用率，减少橡胶制品中石墨烯的用量，降低成本，保证石墨烯在后续橡胶制品中能够得到均匀分散，从而有效解决石墨烯在橡胶中的分散难题。本专利技术所要解决的第二个技术问题是：提供一种简便易行、成本低的石墨烯预分散母胶粒的制备方法，可直接利用现有密炼及挤出设备进行制备，不必进行设备改造，适合规模化工业生产。本专利技术所要解决的第三个技术问题是：提供本专利技术石墨烯预分散母胶粒的应用，为高性能的轮胎胎面胶提供一种品质优异的石墨烯预分散母胶粒。本专利技术解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：石墨烯10～60%，橡胶载体9～36%，硅烷偶联剂3～10%，硬脂酸钙2～8%，环烷油5～12%，无机填料5～25%。作为优选，其重量百分比组成为：石墨烯35%，橡胶载体31%，硅烷偶联剂8%，硬脂酸钙4%，环烷油7%，无机填料15%。作为优选，其重量百分比组成为：石墨烯50%，橡胶载体20%，硅烷偶联剂6%，硬脂酸钙6%，环烷油8%，无机填料10%。作为优选，所述的橡胶载体为三元乙丙橡胶、二元乙丙橡胶、丁苯橡胶、丙烯酸酯橡胶、天然橡胶中的至少一种。作为优选，所述的橡胶载体由三元乙丙橡胶和二元乙丙橡胶以（1～4）：（2～6）的重量比混合而成。作为优选，所述的三元乙丙橡胶为马来酸酐接枝三元乙丙橡胶，所述的马来酸酐接枝三元乙丙橡胶的接枝度为0.5～1.8%。接枝度为0.5～1.8%时，马来酸酐接枝三元乙丙橡胶与硅烷偶联剂之间结合更好，可确保石墨烯在母胶粒中的分散效果及母胶粒成分组成的均匀性，使母胶粒能够最大限度保持石墨烯的原有物性。作为优选，所述的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，所述的无机填料为白炭黑、碳酸钙、二氧化硅、滑石粉、云母粉和黏土中的至少一种。本专利技术解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：石墨烯预分散母胶粒的制备方法，包括以下步骤：（1）按照配比准确称取制备母胶粒所需各原料；（2）将密炼机加热到70～80 ℃，在密炼机中首先投入石墨烯，再投入硅烷偶联剂，以120～150 r/min的搅拌速度搅拌1～3分钟，然后投入橡胶载体，以200～250 r/min的搅拌速度搅拌2～4分钟，最后投入硬脂酸钙、环烷油和无机填料，以100～120 r/min的搅拌速度搅拌2～8分钟，使各原料混合均匀，在80～90 ℃温度下出料，得到胶料；（3）控制主机给定转速为80～90 r/min，将步骤（2）中得到的胶料喂料至挤出机，喂料转速为35～45 r/min，该挤出机的温控区域从进料口到出料口依次分为七段，其中第一段的温度为30～40 ℃，第二段至第七段的温度为40～50 ℃，最终挤制得到石墨烯预分散母胶粒。作为优选，步骤（3）中，将步骤（2）中得到的胶料喂料至挤出机，经30目的滤网过滤后挤出切粒，最终得到石墨烯预分散母胶粒。本专利技术石墨烯预分散母胶粒的制备方法中，采用30目的滤网过滤后挤出切粒得到的石墨烯预分散母胶粒纯度更高，可确保后续用于制造橡胶挤出制品时的滤网堵塞现象，满足对质量及精度要求较高的橡胶挤出制品对原料的要求，并降低橡胶挤出制品的废品率，提高成品率。本专利技术解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：石墨烯预分散母胶粒在轮胎胎面胶中的应用。本专利技术的石墨烯预分散母胶粒应用于轮胎胎面胶后，有利于优化轮胎胎面胶的性能，获得高性能的优质轮胎胎面胶。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术以橡胶载体为基材，同时添加硅烷偶联剂、硬脂酸钙、环烷油、无机填料，将石墨烯制备为预分散母胶粒形式，使石墨烯包裹于橡胶载体中，并使石墨烯均匀预分散于母胶粒中，避免了石墨烯的团聚，保证石墨烯在后续橡胶制品中能够得到均匀分散，从而有效解决石墨烯在橡胶中的分散难题；本专利技术石墨烯预分散母胶粒便于保存、运输和称量，可有效提高石墨烯的利用率，减少橡胶制品中石墨烯的用量，降低成本；该石墨烯预分散母胶粒可具体应用于对加工性能、交联密度、拉伸性能、耐老化性能、滚动阻力、磨耗性能、抗湿滑性能要求较高的轮胎胎面胶，也可应用于其他高品质橡胶制品。2、本专利技术公开的石墨烯预分散母胶粒的制备方法，工艺简便易行，可直接利用现有密炼及挤出设备进行制备，成本低，不必进行设备改造，适合规模化工业生产。本专利技术制备方法的步骤（2）中对各原料在密炼机中的投料顺序进行限定，并控制投料后的搅拌工艺。采用步骤（2）中的投料顺序及搅拌工艺后，石墨烯首先被硅烷偶联剂充分包裹，然后被橡胶载体完全包裹，使石墨烯得到有效的保护，从而母胶粒能够保持石墨烯的原有物性，同时硅烷偶联剂在石墨烯与橡胶载体之间起到缓冲作用，有利于减小石墨烯与橡胶载体之间的范德华力，从而减少石墨烯的团聚，提高石墨烯在橡胶载体中的分散性，石墨烯在最终获得的预分散母胶粒中分散均匀，可保证后续橡胶制品的品质。此外，本专利技术公开的石墨烯预分散母胶粒的制备方法，在步骤（3）中严格控制挤出机各段的温度，因为若挤出温度低，胶料在挤出机中混炼及熔融效果不好，易造成各组份分散不均匀；若挤出温度高，会破坏各组份的活性，因此，本专利技术方法将挤出机第一段的温度为30～40 ℃、第二段至第七段的温度为40～50 ℃，以保证制得的母胶粒中各组份分散均匀，方便后续生产橡胶制品的配料，确保石墨烯等组份在橡胶制品中分散的均匀性，保证橡胶制品的品质。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步详细描述。实施例一的石墨烯预分散母胶粒，按重量份数计，其重量百分比组成为：石墨烯35%，丙烯酸酯橡胶31%，硅烷偶联剂8%，硬脂酸钙4%，环烷油7%，无机填料15%。该石墨烯预分散母胶粒的制备方法，包括以下步骤：（1）按照配比准确称取制备母胶粒所需各原本文档来自技高网...

【技术保护点】
石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，其重量百分比组成为：石墨烯10～60%，橡胶载体9～36%，硅烷偶联剂3～10%，硬脂酸钙2～8%，环烷油5～12%，无机填料5～25%。

【技术特征摘要】
1.石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，其重量百分比组成为：石墨烯10～60%，橡胶载体9～36%，硅烷偶联剂3～10%，硬脂酸钙2～8%，环烷油5～12%，无机填料5～25%。2.根据权利要求1所述的石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，其重量百分比组成为：石墨烯35%，橡胶载体31%，硅烷偶联剂8%，硬脂酸钙4%，环烷油7%，无机填料15%。3.根据权利要求1所述的石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，其重量百分比组成为：石墨烯50%，橡胶载体20%，硅烷偶联剂6%，硬脂酸钙6%，环烷油8%，无机填料10%。4.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，所述的橡胶载体为三元乙丙橡胶、二元乙丙橡胶、丁苯橡胶、丙烯酸酯橡胶、天然橡胶中的至少一种。5.根据权利要求4所述的石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，所述的橡胶载体由三元乙丙橡胶和二元乙丙橡胶以（1～4）：（2～6）的重量比混合而成。6.根据权利要求4所述的石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，所述的三元乙丙橡胶为马来酸酐接枝三元乙丙橡胶，所述的马来酸酐接枝三元乙丙橡胶的接枝度为0.5～1.8%。7.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨烯预分散母胶粒，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，所述的无机...

【专利技术属性】
技术研发人员：连千荣，赵永青，谷建鹏，徐婷，张安将，
申请(专利权)人：宁波硫华聚合物有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33