一种高强度低生热复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功能材料领域的橡胶复合材料，具体是一种高强度低生热复合材料及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代科学技术的发展和工业文明的进步，各种车辆，尤其是运转速度高、载重 量大的汽车等的应用日益增多。为了提高橡胶轮胎的机械性能，满足实际应用的需要，橡胶 基体中需要加入炭黑作为补强剂，但炭黑补强剂在提高硫化胶机械性能的同时，导致硫化 胶的压缩生热明显变大。压缩生热对于需要反复变形的橡胶制品的使用性能影响很大，因 为橡胶是热的不良导体，压缩生热太大，橡胶制品会迅速升温，温度升高不仅加快了橡胶的 热氧老化，而且可能因温度过高导致橡胶制品的破坏，在高温下轮胎的胎面和胎体层容易 出现脱层或者鼓包，严重时会引起甩胎面，夏天行驶中汽车轮胎爆胎就是个典型的例子。除 选择低生热的橡胶原料外，通过配方、工艺优化获得高强度、低生热橡胶复合材料是材料科 学亟待解决的重大科学问题。
[0003] 此外，随着减排二氧化碳政策法规的日益严格和石油资源的日趋紧缺，如何降低 汽车燃油消耗成为汽车行业和使用者关注的焦点，提高机械性能、降低生热是减少汽车燃 油消耗的重要措施之一。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在提供一种可降低压缩疲劳生热且能够提高机械性能的一种高强度低 生热复合材料及其制备方法。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种高强度低生热复合材料，其是由天然橡 胶干胶、还原氧化石墨烯母胶、多壁碳纳米管母胶、橡胶助剂及炭黑通过机械共混法有机结 合制备而成的；所述还原氧化石墨烯母胶是氧化石墨烯和天然胶乳通过原位还原、胶乳共 沉淀法制备获得的，所述多壁碳纳米管母胶是多壁碳纳米管和天然胶乳通过胶乳共沉淀法 制备获得的。
[0006] 本发明所述的高强度低生热复合材料，不仅可以降低压缩疲劳生热，而且可以大 大提高机械性能。因此，本发明从复合新型材料的角度，将胶乳共沉淀法、原位还原法、机 械共混法有机结合，将多壁碳纳米管、还原氧化石墨烯、炭黑与天然橡胶有机复合，制备出 兼具各组分优点的高强度低生热多壁碳纳米管/还原氧化石墨烯/炭黑/天然橡胶复合材 料。
[0007] 优选的，所述天然橡胶干胶、还原氧化石墨烯母胶中天然胶乳的干基、多比碳纳米 管母胶中天然胶乳的干基的质量比为2:1:1。还原氧化石墨烯母胶制备中氧化石墨烯和天 然胶乳的干基的质量比为1~3:50。多壁碳纳米管母胶制备中多壁碳纳米管和天然胶乳的 干基的质量比为1~2:50。
[0008] 进一步，所述的橡胶助剂包括活化剂、防老剂、促进剂及硫化剂。
[0009] 另外，本发明提供了一种该复合材料的制备方法，其步骤为：
[0010] ①还原氧化石墨烯母胶的制备：
[0011] 将所需量天然胶乳加入到氧化石墨烯中，并加入水合肼，磁力搅拌0. 5~lh使其 混合均匀，将氧化石墨烯原位还原成石墨烯，滴加浓度为10-20%的CaCl2作为絮凝剂破乳， 并凝聚后于70°C真空干燥，得到还原氧化石墨烯母胶；
[0012] ②多壁碳纳米管母胶的制备：
[0013] 将所需量的多壁碳纳米管加入到天然胶乳中，磁力搅拌0. 5~lh使其混合均匀， 滴加浓度为10-20%的CaCl^t为絮凝剂破乳，并凝聚后于70°C真空干燥，得到多壁碳纳米 管母胶；
[0014] ③复合材料的制备：
[0015] 称取所需量的天然橡胶干胶加入到密炼机密炼2~5min，然后依次加入还原氧化 石墨烯母胶、多壁碳纳米管母胶，分别密炼1~2min;加入活化剂、防老剂以及炭黑，分别密 炼5min;将密炼后的生胶在双辊开炼机上混炼，包辊堆胶后加入促进剂、硫化剂，薄通，打 卷、打三角包混合均匀后下辊，获得高强度低生热复合材料。
[0016] 上述制备方法中水合肼的目的在于原位还原氧化石墨烯，因此其加入量只要是能 够还原氧化石墨烯即可，该加入量为本领域技术人员能够控制实现的。
[0017] 进一步，所述活化剂采用的是SA以及ZnO,所述防老剂采用的是RD以及4010NA， 所述促进剂采用的是N0BS，所述硫化剂采用的是S。
[0018] 还有，活化剂SA、ZnO以及总橡胶干胶的质量比为2:5:100,防老剂RD、4010NA以 及总橡胶干胶的质量比为1:1:100,促进剂N0BS、硫化剂S以及总橡胶干胶的质量比为1:1 : 50,氧化石墨烯、多壁碳纳米管以及炭黑的总质量与总橡胶干胶的质量比为40:100。所述总 橡胶干胶为还原氧化石墨烯母胶中天然胶乳的干基、多壁碳纳米管母胶中天然胶乳的干基 以及天然橡胶干胶的总和。
[0019] 本发明中采用的还原氧化石墨烯具有超高的力学性能、高导热性能、高度各向异 性、高比表面积等特点，多壁碳纳米管具有极高的强度、极大的韧性且密度较小等特点，但 是还原氧化石墨烯、多壁碳纳米管都存在不易良好分散的问题。本发明通过采用天然橡胶 胶乳包覆还原氧化石墨烯、多壁碳纳米管，提高还原氧化石墨烯、多壁碳纳米管的分散性， 进而硫化时通过交联增大还原氧化石墨烯、多壁碳纳米管与橡胶的相互作用，从而制备出 高强度、低生热新型复合材料。通过控制功能填料、增强填料、基体的相对含量，可以有效地 调控产品的强度和生热性能。本发明所述的复合材料成本低廉、制备工艺简单、填料分散程 度高、综合力学性能优异、动态压缩疲劳生热少等特点，在轮胎、减震器领域具有重要的应 用前景。
[0020] 实验：本发明所述复合材料与普通天然橡胶复合材料性能对比
[0021] 本发明所述复合材料采用的是本发明所述复合材料的制备方法，普通天然橡胶复 合材料采用的是本发明所述复合材料制备方法中的步骤③，两者采用的工艺参数以及性能 对比见表1。
[0022]表 1
[0023]
【附图说明】
[0025] 图1为【具体实施方式】中实施例1、实施例2以及实施例3制备的高强度低生热复合 材料与普通天然橡胶复合材料的应力-应变曲线对比图。
[0026] 图2为【具体实施方式】中实施例1、实施例2以及实施例3制备的高强度低生热复合 材料与普通天然橡胶复合材料的压缩疲劳生热柱形对比图。
【具体实施方式】[0027] 实施例1
[0028] -种高强度低生热复合材料，其制备方法的步骤为：
[0029] ①还原氧化石墨烯母胶的制备：
[0030] 将含25g干基的天然胶乳加入到0. 5g氧化石墨稀中，并加入水合肼，磁力搅拌 〇. 5h使其混合均匀，将氧化石墨烯原位还原成石墨烯，滴加浓度为10 %的CaCl^t为絮凝 剂破乳，并凝聚后于70°C真空干燥，得到还原氧化石墨烯母胶；
[0031] ②多壁碳纳米管母胶的制备：
[0032] 将〇? 5g多壁碳纳米管加入到含25g干基的天然胶乳中，磁力搅拌lh使其混合均 匀，滴加浓度为20%的CaCl^t为絮凝剂破乳，并凝聚后于70°C真空干燥，得到多壁碳纳米 管母胶；