[发明专利]一种改性胶粉纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合材料，具体是一种溶胶-凝胶法改性胶粉纳米复合材料。

本发明还涉及该复合材料的制备方法。

背景技术

纳米复合材料(Nano-composites)的主要特征是复合体系中的一个组分至少有一维以纳米尺寸(≤100nm)均匀地分散在另一组分的基体中，有时又称为混杂材料或杂化材料(Hybrid materials)。

纳米级二氧化硅是近年来才开始被注意并正在逐步被研究开发的一类新型材料。由于其黏合力强，比表面积大，光学性能和机械性能优良常作为功能性填料广泛应用于催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、光导纤维、喷墨打印纸等领域，表现出较好的性能。但是由于纳米二氧化硅粒径较小，且常存在与基体界面不相容，使得其在基体中易团聚，无法真正以纳米级分散，因此，在材料表面原位生成纳米二氧化硅是解决该问题的一个有效办法。

目前在橡胶基体中原位生成二氧化硅主要利用溶胶-凝聚法，原位生成SiO₂增强橡胶复合材料，由于能获得良好的界面和高分散性，材料表现出优异的综合性能。在橡胶中原位生成SiO₂时一般是将胶料混炼硫化成型后，将其浸泡于前驱体和水中，进行溶胶-凝胶反应。由于反应条件的限制，仅限于对橡胶硫化胶的薄制品(厚度约为0.5-1mm)进行原位生成二氧化硅的反应，对材料的成型有很大制约，因此很大程度地限制了该方法在橡胶制品中的应用。

发明内容

本发明的一个目的在于针对已有技术存在的缺点，提供一种用于对废橡胶胶粉进行纳米改性的改性胶粉纳米复合材料。通过溶胶-凝胶法，在胶粉表面形成纳米二氧化硅的过渡层；并通过引入有机硅氧烷，利用有机硅氧烷的一端的活性基团可与高聚物进行化学接枝或交联，而另一端可与原位生成的SiO₂网络结构反应，与胶粉以化学键相连。一方面，纳米SiO₂网络结构可赋予材料较好的力学性能和热性能等；另一方面，可以通过对端基结构进行控制，基团可根据需要选用极性、非极性、功能性等基团，从而提高改性胶粉纳米复合材料与基体的相容性，使之在基体中表现出较好的综合性能。

本发明的另一个目的在于提供该复合材料的制备方法，该方法将溶胶-凝胶法与有机硅氧烷表面接枝技术相结合，该溶胶-凝胶法工艺简单、条件温和、在短时间内可达分子级别分散、易实施，通过在胶粉的表面形成纳米二氧化硅的过渡层，同时，还可以通过表面功能团的控制，调整胶粉的表面性质，得到的复合材料可更广泛地应用到不同基体材料中。

本发明的改性胶粉纳米复合材料，由以下重量份的原料制备得到：

胶粉           100

前驱体         1～80

有机硅氧烷     0～30

水             2～25

催化剂         0～0.35

溶剂           100～600

优选方案如下：

胶粉           100

前驱体         5～20

有机硅氧烷     0～30

水             6.9～21.6

催化剂         0.07～0.21

溶剂           400

所述的胶粉为粒径不限；

所述前驱体是正硅酸乙酯(TEOS)或三氯硅氧烷(trichlorosilane)等；

所述有机硅氧烷为RSiX3，式中R为非水解的、可与高分子聚合物结合的有机官能团，如甲基、乙烯基、氨基、环氧基、巯基、丙烯酰氧丙基等；X为可水解基团，典型的X基团有烷氧基、芳氧基、酰基、氯基等；最常用的则是甲氧基和乙氧基。常见的有机硅氧烷包括γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-硫丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷或长链烷基三甲氧基硅烷等。

所述催化剂是盐酸(HCl)或乙二胺(Ethylenediamine)等；

所述的溶剂是四氢呋喃(THF)或乙醇(ethanol)等。

上述改性胶粉纳米复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)采用溶胶-凝胶法，将前驱体、溶剂、胶粉、水、催化剂、有机硅氧烷混合均匀，置于30℃～60℃的水浴中，进行水解缩合反应；

(2)抽虑，干燥至衡重。