一种橡胶补强用改性凹凸棒石的制备方法技术

一种利用天然矿物凹凸棒石制备橡胶补强用填料的方法，即将沉降离心提纯后的天然凹土通过可溶性碳源溶液的浸泡、包覆，经过烘干、研磨过筛后置于还原气氛中进行高温炭化，得到表面炭包覆的纳米凹凸棒石。其工艺过程依次包括以下步骤，A：凹凸棒石的提纯；B：凹凸棒石的预包覆；C：凹凸棒石的表面炭化。该方法的优越性在于将天然凹土进行简单处理后，可以在保证其纤维状结构不被破坏的前提下，改变其表面的极性，增强其与非极性橡胶的相容性，增大了凹凸棒石在橡胶基体中的填充量，制备出力学性能优异的凹凸棒石/橡胶复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术所属领域为无机矿物材料应用，具体为利用天然无机矿物凹凸棒石制备一种橡胶补强用改性凹凸棒石填料的方法。
技术介绍
凹凸棒石黏土简称凹土，又名坡缕石，是一种含水富镁铝的硅酸盐矿物，典型的化学式为Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O，结构独特，单根纤维晶的直径在20～70nm左右，长度约为0.5～5μm，是一种天然的一维纳米材料，具有诸多优异性能，是一种具有特殊结构和功能的重要非金属黏土矿物，被称为“千土之王，万用之土”。产品不仅涉及化工、机械、能源、汽车、轻工、冶金、建材等传统行业，而且进入以信息、生物、航空航天、海洋开发、新材料和新能源为代表的高技术产业。随着新的应用要求不断出现，其应用范围也将进一步拓宽。我国凹土矿产资源丰富，价格低廉，但研究起步比较晚，其研发、生产和加工水平比较落后，凹土产品主要应用在比较低端的行业(初级产品和一些低附加值产品)。因此，开发高技术含量、多样化、能满足不同行业需求的凹土产品，将是我国凹土行业发展的方向。近年来，纳米复合材料是材料学领域研究的热点，由于它所具有的优异综合性能，已成为复合材料的最重要的前沿研究方向。而凹凸棒石作为一种天然的一维纳米材料，在理论上具有对聚合物良好的补强效果，引起了研究人员的广泛关注。针对凹凸棒石基橡胶用纳米补强填料的研究较多，但是大多停留在理论研究阶段，还未发现橡胶/凹凸棒石复合材料工业化的报道。这是因为橡胶行业传统的加工方法为机械混炼法，而凹凸棒石虽然属于层状硅酸盐矿物，但其结构特殊，是一种内部布满与延长方向一致的孔道的、富含沸石水、配位水和结构水的纤维，表面具有较强的极性，与橡胶所具有的非极性不能很好地相容，因此，凹凸棒石不能像蒙脱石那样简单地借助与大分子链的剪切作用扩大层间距，剥离出纳米尺度的片层，难以得到性能优良的复合材料，必须对其表面进行处理，降低其表面极性，增加与非极性材料的相容性以达到在基体材料中的纳米尺度分散。本申请的专利技术人对我国凹凸棒石主要产地江苏省和甘肃省的凹凸棒石进行了系统的研究，对其进行提纯处理后，经过对其表面的改性，制备了性能优良的橡胶补强用凹凸棒石填料。本专利技术的技术特点是通过提纯、改性等方法，改善极性凹凸棒石与非极性橡胶之间的相容性，得到物理性能优良的复合材料。该方法利用可溶性碳源对凹凸棒石进行包覆、炭化改性，工艺较为简单，得到的改性凹凸棒石可以直接应用于橡胶行业传统的机械共混制备工艺，有效地提高橡胶制品的性能，并降低产品的成本。该方面的研究未见报道。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用天然矿物凹凸棒石制备橡胶补强用填料的方法，即将沉降离心提纯后的天然凹土通过可溶性碳源溶液的浸泡、包覆，经过烘干、研磨过筛后置于还原气氛中进行高温炭化，得到表面炭包覆的纳米凹凸棒石。该方法的优越性在于将天然凹土进行简单处理后，可以在保证其纤维状结构不被破坏的前提下，改变其表面的极性，增强其与非极性橡胶的相容性，增大了凹凸棒石在橡胶基体中的填充量。本专利技术的技术方案是：凹凸棒石的提纯与改性，其工艺过程包括凹凸棒石的分散、离心、浸泡、烘干、过筛以及在还原气氛中的表面高温炭化。具体制备的步骤如下：1)凹凸棒石的提纯：(a)将凹凸棒石分散到水溶液中，配成浓度为3-50％的溶液；加入分散剂，其中分散剂的加入量为凹凸棒石质量的1-6％；在40-90℃下水浴加热，搅拌5-60分钟，转速为500-5000转/分钟；(b)将分散好的凹凸棒石浆液离心，离心转速为300-4500转/分钟；离心完成后取上层凹凸棒石浆液，过滤；(c)产物置于真空干燥箱中40～85℃干燥3～48h后研磨过200目筛，备用。2)凹凸棒石的预包覆：将可溶性碳源溶于水中，将其逐渐加入提纯后的凹凸棒石，搅拌均匀，产物置于真空干燥箱中40～85℃干燥3～48h后研磨过200目筛，备用。3)凹凸棒石的炭化：将烘干、过筛后的预包覆凹凸棒石置于坩埚中，于还原气氛(5％H2+95％N2)下300～800℃煅烧1～12h后冷却至室温，过200目筛即得橡胶补强用改性凹凸棒石。由于凹凸棒石纳米晶粒在通常情况下容易聚集，导致凹凸棒石与橡胶复合后不能很好的分散，不能充分发挥凹凸棒石晶粒的纳米材料效应。纳米尺度的分散是制备矿物与聚合物基纳米复合材料的关键。本专利技术首先利用水溶液将凹凸棒石晶粒溶胀，在分散剂与高速机械搅拌的作用下将其解离，然后通过高速离心将大颗粒物质去除，只收集悬浮性能优异、粒径尺寸较小的高纯度凹凸棒石颗粒，以最大尺度地发挥其结构优势。由于凹凸棒石为亲水性无机物质，其与天然橡胶基体的界面性质不同，相容性差，难以在橡胶中均匀分散，直接充填容易导致橡胶制品的某些机械性能下降。为了改善其应用性能，必须对凹凸棒石进行改性处理。本专利技术利用可溶性碳源溶液对高纯度凹凸棒石进行浸泡、包覆，在还原气氛下对其进行高温炭化，使其表面覆盖有非极性的炭层，实现凹凸棒石与非极性橡胶在纳米尺度的复合，从而提高橡胶制品的综合性能。附图说明图1凹凸棒石粘土炭化前后的红外光谱图图2凹凸棒石粘土炭化前后的SEM照片具体实施方法：为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐述本专利技术的内容。实施例1.原材料及实验设备(1)实验原料：凹凸棒石江苏省盱眙县葡萄糖市售分析纯天然橡胶市售(2)实验设备高温管式气氛炉WLS-1600合肥科晶仪器有限公司；真空干燥箱DZF-6020上海一恒科学仪器有限公司；电热恒温水浴锅：DK-98-1型，天津市泰斯特仪器有限公司；开放式塑炼机：SK-160B型，上海轻工机械股份有限公司；平板硫化机：QLB-350×350×2型，上海第一橡胶机械厂。2.凹凸棒石的提纯取100g凹凸棒石，配置成10％质量浓度的水溶液，加入3g分散剂六偏磷酸钠，于60℃水浴中加热，搅拌30分钟，转速为500转/分钟；将分散好的凹凸棒石浆液离心，离心转速为1500转/分钟；离心完成后取上层凹凸棒石浆液，过滤后产物置于真空干燥箱中75℃干燥24h，研磨过200目筛，备用。3.凹凸棒石的预包覆将葡萄糖溶于水中，逐渐加入提纯后的凹凸棒石，搅拌均匀，产物置于真空干燥箱中75℃干燥24h后研磨过200目筛，备用。4.凹凸棒石的炭化将烘干、过筛后的预包覆凹凸棒石置于坩埚中，于还原气氛(5％H2+95％N2)下650℃煅烧4h后冷却至室温，过200目筛即得橡胶补强用改性凹凸棒石。5.改性凹凸棒石/天然橡胶复合材料的制备混炼：将制得的表面炭化凹凸棒石与天然橡胶及各种助剂在双辊开炼机上进行混炼，制成质量均一的混炼胶，混炼胶的质量配方为：表面炭化凹凸棒石2～12份；天然橡胶100份；炭黑50份；氧化锌5份；硬脂酸1份；促进剂DM1份；促进剂CZ0.5份；硫磺2份。所述双辊开炼机为SK-160B型开放式塑炼机。硫化：将混炼胶在平板硫化机上进行硫化，制得凹凸棒石/天然橡胶复合材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种橡胶补强用改性凹凸棒石的制备方法，其制备工艺依次如下： 1)凹凸棒石的提纯：(a)将凹凸棒石分散到水溶液中，配成浓度为3‑50％的溶液；加入分散剂，其中分散剂的加入量为凹凸棒石质量的1‑6％；在40‑90℃下水浴加热，搅拌5‑60分钟，转速为500‑5000转/分钟；(b)将分散好的凹凸棒石浆液离心，离心转速为300‑4500转/分钟；离心完成后取上层凹凸棒石浆液，过滤；(c)产物置于真空干燥箱中40～85℃干燥3～48h后研磨过200目筛，备用。 2)凹凸棒石的预包覆：将可溶性碳源溶于水中，将其逐渐加入提纯后的凹凸棒石，搅拌均匀，产物置于真空干燥箱中40～85℃干燥3～48h后研磨过200目筛，备用。 3)凹凸棒石的表面炭化：将烘干、过筛后的预包覆凹凸棒石置于坩埚中，于还原气氛下300～800℃煅烧1～12h后冷却至室温，过200目筛即得橡胶补强用改性凹凸棒石。

【技术特征摘要】
1.一种橡胶补强用改性凹凸棒石的制备方法，其制备工艺依次如下：
1)凹凸棒石的提纯：(a)将凹凸棒石分散到水溶液中，配成浓度为3-50％的溶液；加入分散剂，其中分散剂的加入量为凹凸棒石质量的1-6％；在40-90℃下水浴加热，搅拌5-60分钟，转速为500-5000转/分钟；(b)将分散好的凹凸棒石浆液离心，离心转速为300-4500转/分钟；离心完成后取上层凹凸棒石浆液，过滤；(c)产物置于真空干燥箱中40～85℃干燥3～48h后研磨过200目筛，备用。
2)凹凸棒石的预包覆：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟生，王文杰，张国林，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62