[发明专利]一种超分子/橡胶气密材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高橡胶气体阻隔性能的方法，特别是采用具有层状结构的超分子LDHs作为填料，填充到橡胶中使其气体阻隔性能得到很大的提高。适用于轮胎内胎、内衬层，并可适用于电子元器件密封，医用胶塞，核生化防护等国民经济多个领域。

背景技术

大部分的橡胶分子结构不够致密，具有较大的自由体积，因此易形成空气通路。在橡胶气密材料中应用效果最好的是卤化丁基橡胶，主要是其分子结构中侧甲基致密排列而具有优异气密性。当前，在有机弹性体材料中加入无机相材料，利用无机相的气体阻隔性能来获得低成本高性能轮胎气密材料是国内外研究的主流方向。这一方法虽然起到了一定效果，但依然存在许多难点问题：①加入无机相粒子可以减少弹性体分子的有效体积，但以往所用的炭黑等球形无机粒子对气体的几何阻隔性能较差，且易聚集，较难发挥阻隔气体的作用；②以往无机粒子受表面官能团种类及数量限制，难以与气体分子形成物理粘滞相互作用而阻滞气体通过，这一问题在无机-有机两相界面较差时表现得更加突出。

具有片层结构的粘土与通用橡胶材料复合制备粘土/橡胶复合材料，用于制备轮胎气密产品，是当前研究的热点。目前，轮胎气密层对材料气密性的要求是要达到2.5×10^-17m²s^-1Pa^-1。通过片层材料在弹性体基体中的均匀分散可有效延长气体通过路径，从而获得较佳的气密性。但是，粘土/橡胶复合材料仍存在较多问题：①粘土的长宽比较大，在某一方向上的几何效应较弱，易表现出气体阻隔各向异性，难以表现出优异的气体的阻隔性能；②对于粘土这种不规则的几何形状材料，按照晶体生长理论，晶体由内向外生长，易在晶体边缘处形成缺陷，使气体容易通过；③在现有制备技术中，为保证气密性，需添加较大量的粘土，但高用量的粘土在复合加工过程中分散困难，使材料的综合性能难以达到高性能轮胎气密材料的要求。

本发明提出的超分子/弹性体气密材料是指二维层板沿第三维方向有序排列的超分子LDHs（俗称水滑石）以强界面形式均匀分散于弹性体基体中的一种材料。

超分子LDHs属于六方晶系，且可对其结构进行科学调控，能够得到长宽相近（长/宽≈1）、较大纵横比的二维晶体，晶体结构近似圆形，具有较好的几何阻隔作用，可对气体阻隔起到最佳效果。同时由于其特殊的生长方式，晶体边缘缺陷较少，可有效减少气体通过。而且，其表面含有大量的羟基官能团，能够通过氢键、分子间作用力等超分子作用有效地阻滞气体分子运动。这种超分子结构也能够显著增加与弹性体基体间的界面吸附，即使无界面剂的情况下也可获得以往无机相粒子难以达到的界面强度，不仅强化了气体阻隔效果，也确保了材料具有较高的力学性能。此外，LDHs能够在水相分中以单片结构均匀分散，能够与大部分的通用弹性体乳液进行复合，无需溶剂，也不需要传统的高能耗的机械混炼，为高性能超分子/弹性体气密材料绿色加工奠定了基础。超分子/弹性体气密材料可在轮胎、医疗、航空航天等领域广泛应用，其中在轮胎市场应用的前景最为广阔。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型的超分子/弹性体气密材料及其制备方法。

本发明中的乳液复合法是将均匀分散的LDHs溶液与橡胶的胶乳混合，通过机械搅拌使二者混合均匀，通过絮凝剂絮凝得到LDHs/橡胶复合材料。机械共混法是将LDHs粉体在混炼机上加入到各种固态橡胶中，并与其它的助剂配合。

一种超分子/橡胶气密材料的制备方法，其特征在于：制备LDHs与橡胶的复合物，其中LDHs的用量是0.2～40phr，phr为每100质量份数橡胶中的LDHs的质量，所述的橡胶为橡胶乳液或固态橡胶。

橡胶乳液有丁腈胶乳、丁苯胶乳或天然胶乳。

具体按照以下两种方案制备：

一）乳液复合法制备LDHs组合物

（1）LDHs的预处理：将LDHs加入去离子水稀释，搅拌0.5～6h，得到LDHs分散均匀的悬浮液；

（2）超分子LDHs/橡胶气密材料的制备：取100份丁腈胶乳或丁苯胶乳或天然胶乳置于搅拌机上搅拌，往其中加入0.2～40份分散均匀的LDHs悬浮液，搅拌0.5～8h，形成均匀的混合液；将混合液倒入到絮凝剂中使胶乳破乳，再将絮凝物脱水烘干及得到絮凝母胶；再经过混炼、硫化即得到复合材料；

二）机械共混法制备LDHs/橡胶组合物

称取LDHs粉体3～40质量分数在开炼机或密炼机或螺杆挤出机上加入到100质量分数的丁腈橡胶或丁苯橡胶或天然橡胶中，并加入其它加工助剂。