本发明专利技术公开了一种含凯夫拉纳米纤维的高性能橡胶复合材料及其制备方法，通过在一定条件下水热处理凯夫拉纤维，制备凯夫拉纳米纤维水分散液，与XNBR胶乳进行混合后，加入到絮凝剂中，通过共凝聚法制备了含凯夫拉纳米纤维的XNBR混合物，通过加入硫化剂硫化加工，即可得到本发明专利技术的含凯夫拉纳米纤维的高力学性能的XNBR复合材料。本发明专利技术通过在橡胶中添加凯夫拉纳米纤维，通过胶乳共混法使凯夫拉纳米纤维在橡胶基体中获得良好的分散，同时提高橡胶的力学性能，从而扩大XNBR橡胶的应用范围。
High performance rubber composites containing Kevlar nanofibers and their preparation methods
The invention discloses a high performance rubber composite material containing Kevlar nanofibers and a preparation method thereof. The water dispersion of Kevlar nanofibers is prepared by hydrothermal treatment of Kevlar nanofibers under certain conditions. After mixing with XNBR latex, the composite material is added into the flocculant and the Kevlar nanofibers are prepared by co-coagulation method. XNBR composites containing Kevlar nanofibers with high mechanical properties can be obtained by vulcanizing the XNBR mixture with vulcanizing agent. By adding Kevlar nanofibers into rubber, the Kevlar nanofibers can be well dispersed in rubber matrix by latex blending method, and the mechanical properties of rubber are improved, thereby expanding the application range of XNBR rubber.
【技术实现步骤摘要】
含凯夫拉纳米纤维的高性能橡胶复合材料及其制备方法
本专利技术属于橡胶类聚合物复合材料制备
，特别是涉及一种含凯夫拉纳米纤维的高力学性能的橡胶复合材料及其制备方法。
技术介绍
芳纶纤维（聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）），商品名为凯夫拉纤维，是一种具有超高强度、硬度和热稳定性的材料，在航空航天和汽车制造工业等中有广泛应用，其优异的力学性能也常用来做补强聚合物的填料。凯夫拉纤维分子链基本重复单元为-[-CO-C6H4-CONH-C6H4NH-]-，酰胺基团在苯环对位上连接，具有强烈的分子间相互作用（如：不同酰胺基团上的羰基与氨基之间的氢键作用以及苯环之间的π-π堆叠作用），导致了PPTA纤维具有较高的结晶度，与聚合物基体之间的界面粘附力弱，限制了其在复合材料领域的进一步应用。通过破坏掉凯夫拉纤维之间的氢键作用力，可以制备纳米级凯夫拉纤维。得到的凯夫拉纳米纤维具有高强度、高模量、热稳定性强、质量轻、耐化学腐蚀、阻燃性强、绝缘性好、抗疲劳等诸多优点，对聚合物具有很好的补强效果。文献《ACSnano,2011,5(9):6945-6954》首次报道了通过氢氧化钾的去质子化作用，将对位凯夫拉纤维溶解在二甲基亚砜（DMSO）中，得到了长度约为5-10μm，直径为20-30nm的凯夫拉纳米纤维。文献《CompositesScienceandTechnology,2017,144:193-201》用上述方法所制备的凯夫拉纳米纤维来增强聚乙烯醇等，得到了高强度的聚乙烯醇/凯夫拉纳米纤维复合材料。然而由于凯夫拉纳米纤维只能分散在DMSO溶液中，因此必须通过溶液共混的方法制备聚合物复合材料，大量有机溶剂的使用给环境带来严重危害。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种含凯夫拉纳米纤维的高力学性能的橡胶复合材料及其制备方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种含凯夫拉纳米纤维的羧基丁腈橡胶（XNBR）复合材料，以重量份计，包括如下组分：XNBR100份，防老剂0.5-3份，硫化剂1-4份，凯夫拉纳米纤维1-7份。进一步的，防老剂选自Wingstay-L（WL）、N-异丙基-N苯基对苯二胺（4010NA)或2，2，4-三甲基-1，2-二氢化喹啉聚合体（RD）的一种或多种。进一步的，硫化剂选自过氧化二异丙苯（DCP）、二叔丁基过氧化物（DTBP）或双叔丁基过氧化二异丙基苯（BIPB）的一种或多种。进一步的，凯夫拉纤维采用杜邦公司生产的Kevlar49纤维。一种含凯夫拉纳米纤维的XNBR复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一，凯夫拉纳米纤维水分散液的制备，在凯夫拉纳米纤维的二甲基亚砜（DMSO）溶液中加入过量的水，直到凯夫拉纤维呈凝胶状完全析出，剧烈搅拌1h以上得到均匀的凝胶状态，抽滤，得到的固体产物，在体积比为1:1到1:5的硝酸和硫酸的混酸中110-140°C进行水热反应1.5-2.5h，再次抽滤，得到的固体产物分散在水中，进行透析，至溶液pH值为7，得到凯夫拉纳米纤维的水分散液，其中，凯夫拉纳米纤维的水分散液中凯夫拉纳米纤维的含量为1-7重量份；步骤二，步骤一得到的凯夫拉纳米纤维水分散液与XNBR橡胶胶乳进行混合，加入防老剂，搅拌1-2h，调pH值2-3，滴加到絮凝剂中进行凝胶，水洗，除去絮凝剂，得到的凝胶放入恒温烘箱中烘干，得到含凯夫拉纳米纤维的XNBR橡胶混合物，其中，XNBR橡胶胶乳中的XNBR橡胶的重量份为100份；步骤三，步骤二得到的混合物加入硫化剂后在开炼机上混炼，停胶24h以上，硫化后制得含凯夫拉纳米纤维的XNBR复合材料。进一步的，絮凝剂选自氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）或氯化钙（CaCl2）的一种或多种，絮凝剂质量浓度为8%～12%。进一步的，凝胶的干燥条件为100-110°C干燥2-2.5h。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：（1）水热处理后得到的凯夫拉纳米纤维具有强度高、稳定性好和水分散性好的特点；（2）将水热法制备的凯夫拉纳米纤维和XNBR制备成复合材料，少量的凯夫拉纳米纤维可以大大提高XNBR橡胶的力学性能；（3）当填充7份凯夫拉纳米纤维时，XNBR橡胶的拉伸强度达14.81MPa，撕裂强度达39.22kN/m，与未填充填料的XNBR橡胶相比，拉伸强度和撕裂强度分别提高了411%和167%；（4）7份凯夫拉纳米纤维补强的XNBR复合材料的拉伸强度是20份N330炭黑补强的XNBR复合材料拉伸强度的1.9倍，是3份细菌纤维素（BCW）补强的XNBR复合材料拉伸强度的3.6倍。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术含凯夫拉纳米纤维的橡胶复合材料制备方法的流程示意图。图2是本专利技术的凯夫拉纳米纤维的AFM图（a）及其对应的高度图（b）。图3是本专利技术的水热反应后的凯夫拉纳米纤维的AFM图（a）和对应的高度图（b）。图4是本专利技术水热反应后凯夫拉纳米纤维分散液图片。具体实施方式结合附图1，本专利技术凯夫拉纳米纤维/XNBR复合材料，包括以下组分：XNBR100份，防老剂0.5-3份，硫化剂1-4份，凯夫拉纳米纤维1-7份，采用硫酸和硝酸的混合物对凯夫拉纳米纤维进行水热，离心，洗涤，重新分散，得到凯夫拉纳米纤维的水分散液，与XNBR胶乳进行混合后，滴加到絮凝剂中，通过共凝聚法制备了含凯夫拉纳米纤维的XNBR混合物，通过加入硫化剂硫化加工，即可得到本专利技术的含凯夫拉纳米纤维的XNBR复合材料。本专利技术可广泛用于各类特种橡胶制品中，特别适用于机械性能要求高的特种橡胶制品。下面通过实施例和对比例对本专利技术作进一步说明。称取3g凯夫拉纤维细线和4.5g氢氧化钾投入到反应器中，加入DMSO溶液，在温度为25°C的条件下搅拌7天，得到凯夫拉纳米纤维溶液，其AFM如图2所示，纤维直径在8-30nm。取含1g凯夫拉纳米纤维的溶液加入去100g去离子水，凯夫拉纤维呈凝胶状析出，常温下搅拌1h得到均匀的凝胶状态，抽滤，得到的固体产物在体积比为1:2的硝酸和硫酸的混合物中130°C进行水热反应1.5h，再次抽滤，得到的固体产物经过剧烈搅拌分散在水中，透析，每两小时换一次水，直至溶液pH值为7，得到凯夫拉纳米纤维的水分散液，其AFM如图3所示，直径在3-27nm，平均长度5μm。凯夫拉纳米纤维的水分散液照片如图4所示。实施例1取1份凯夫拉纳米纤维的水分散液，将其与XNBR橡胶胶乳混合搅拌，加入防老剂，搅拌1h，调pH值2，并加入10wt%的NaCl水溶液中，凝胶洗涤，100°C下干燥2h，得到含凯夫拉纳米纤维的XNBR的混合物。将干燥完的凝胶在开炼机上混炼。混炼胶中的组分及其配比为：橡胶100份，防老剂WL：0.5份，硫化剂DCP：1份，凯夫拉纳米纤维：1份。混炼胶停放24小时以后，再经硫化仪测定其在165°C下的正硫化时间，最后在50t平板硫化机上硫化制得含1份凯夫拉纳米纤维的XNBR复合材料。该复合材料的拉伸强度9.82MPa，断裂伸长率162%，100%定伸强度4.88MPa，300%定伸强度9.71MPa，撕裂强度25.47KN/m。实施例2取3份凯夫拉纳米纤维的水分散液，将其与XNBR胶乳混合搅拌，加入防老剂，搅拌2h，调pH值2.5，并加入12wt%的KCl水溶液，凝胶洗涤，110°C下干燥2.5本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.含凯夫拉纳米纤维的羧基丁腈橡胶复合材料，其特征在于，以重量份计，包括如下组分：羧基丁腈橡胶100份，防老剂0.5‑3份，硫化剂1‑4份，凯夫拉纳米纤维1‑7份。
【技术特征摘要】
1.含凯夫拉纳米纤维的羧基丁腈橡胶复合材料，其特征在于，以重量份计，包括如下组分：羧基丁腈橡胶100份，防老剂0.5-3份，硫化剂1-4份，凯夫拉纳米纤维1-7份。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，防老剂选自Wingstay-L、N-异丙基-N苯基对苯二胺或2，2，4-三甲基-1，2-二氢化喹啉聚合体的一种或多种。3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，硫化剂选自过氧化二异丙苯、二叔丁基过氧化物或双叔丁基过氧化二异丙基苯的一种或多种。4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，凯夫拉纤维采用Kevlar49纤维。5.一种含凯夫拉纳米纤维的羧基丁腈橡胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，凯夫拉纳米纤维水分散液的制备，在凯夫拉纳米纤维的二甲基亚砜溶液中加入过量的水，直到凯夫拉纤维呈凝胶状完全析出，剧烈搅拌1h以上得到均匀的凝胶状态，抽滤，得到的固体产物，在体积比为1:1到1:5的硝酸和硫酸的混酸...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾红兵，薛晓东，张旭敏，尹清，章婉琪，姜宽，涂晶，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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