專利名稱：一種二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非金屬礦物材料加工與填充復(fù)合橡膠利用領(lǐng)域，具體為一種二次偶聯(lián)改性礦物填料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
隨著我國交通運輸業(yè)的高速發(fā)展，使各類橡膠制品的用量大幅增加，相應(yīng)帶動橡膠填料用量的激增。傳統(tǒng)的橡膠制品使用的填料主要是炭黑，而炭黑生產(chǎn)是以化石能源為基礎(chǔ)的，需要消耗大量的石油、天然氣或煤化工的副產(chǎn)品，同時釋放大量的“溫室氣體” co2、so2、nox等污染氣體，粉塵等污染物。是國家限制發(fā)展的典型“三高產(chǎn)業(yè)”。加上國際原油價格的不斷上漲，帶動能源價格的不斷攀升，直接影響到其下游產(chǎn)業(yè)原材料的價格和供給。為此，各國科技人員都在開展研究，開發(fā)新型可替代填料，其中天然礦物填料以其來源廣泛、儲量豐富、性能穩(wěn)定等優(yōu)點受到普遍關(guān)注。在天然礦物中，具有納米結(jié)構(gòu)的硅酸鹽粘土礦物，以其顆粒小，比表面積大，種類豐富、價格低廉、綠色環(huán)保，無毒無害等優(yōu)點，得到大量的研究和利用。以北京化工大學(xué)為代表的多家研究機構(gòu)，對蒙脫石，高嶺土，海泡石，凹凸棒石等礦物進行表面改性，制備成無機礦物功能填料，制備出性能優(yōu)異的納米礦物/橡膠復(fù)合材料。如ZL. 201010541595. 3，ZL.01127115. 9，ZL.200410084046. 2，ZL.200710060490. 4，ZL.200610114731. 4，ZL.98101496. 8，ZL.200710304792. 1，ZL.200410008452. 0, ZL. 200410090852. 0，CN101337678, CN1715317, ZL. 200510084326. 8，CN1664022 等。上述改性方法，得到的改性填料，大多數(shù)礦物粉體是微米級粒子，要使礦物粉體完全以納米級粒子分散在橡膠基體中就比較困難。本發(fā)明利用 有機溶劑為反應(yīng)介質(zhì)，對提純無機礦物粉體進行二次表面有機化偶聯(lián)改性，制備成滿足橡膠補強需求的功能性有機改性礦物粉體及其制備工藝。該有機粉體與橡膠基體的相容性、親和性好，易于在橡膠基體中分散，是補強性能優(yōu)異的復(fù)合橡膠填料。能夠部分或完全取代炭黑，白炭黑用于天然橡膠，丁腈橡膠，丁苯橡膠，三元乙丙橡膠，順丁橡膠，氯丁橡膠，聚氨酯橡膠等多種復(fù)合橡膠的制備與補強，其性能滿足密封橡膠、輪胎橡膠以及傳輸帶橡膠的性能要求。該粉體還能作為塑料、樹脂等其它高分子材料的補強填料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對當(dāng)前技術(shù)的不足，提供一種二次偶聯(lián)改性礦物填料及其制備工藝。該工藝以有機溶劑為反應(yīng)介質(zhì)，對提純無機礦物粉體進行二次表面有機化偶聯(lián)改性，即將偶聯(lián)劑，功能有機化合物溶解在有機溶劑中，進行無機礦物粉體表面有機化協(xié)同改性的工藝方法。從而在礦物粉體表面接枝不同類型的有機物基團，制備出滿足各種橡膠補強性能需求的，功能性有機化改性礦物粉體。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料，該填料組成包括硅酸鹽粘土礦物粉體、偶聯(lián)劑和功能有機化合物，其中硅酸鹽粘土礦物粉體，占質(zhì)量百分數(shù)的85% 98% ;偶聯(lián)劑的質(zhì)量百分數(shù)占1. 0% 10% ;功能有機化合物的質(zhì)量百分數(shù)占1. 0% 10% ;各組分之和為100%。所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料的制備工藝，包括以下步驟在高壓反應(yīng)釜中先加入有機溶劑，然后加入有機溶劑質(zhì)量1% 10%的偶聯(lián)劑，攪拌均勻后，在低速攪拌中加入硅酸鹽粘土礦物粉體，礦粉質(zhì)量為有機溶劑質(zhì)量的10% 100%，密閉反應(yīng)釜，加熱到60°C 90°C，保溫，控制攪拌速度為1500rpm，攪拌lh，期間超聲分散20min ;靜置冷卻后，加入有機溶劑質(zhì)量1% 10%的功能有機化合物，繼續(xù)密封，80°C 120°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106°C 120°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)改性礦物填料。所述的硅酸鹽粘土礦物粉體具體為蒙脫石礦物、高嶺土礦物、海泡石礦物或凹凸棒石礦物。所述的硅酸鹽粘土礦物粉體是指經(jīng)過工業(yè)化選礦提純后的精礦產(chǎn)品，粉體中相應(yīng)礦物的品位超過90%,比表面積大于50m2/g。所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑和錫酸酯偶聯(lián)劑一種或兩種的混合物；所述的功能有機化合物為聚丙烯、I，4-戊二烯、聚乙烯醇、丙烯腈、苯乙烯、丁二
烯、甲苯二異氰酸酯或二苯基甲烷二異氰酸酯。所述的有機溶劑是指丙酮、乙酸乙酯、正丁醇、異丙醇，乙二醇，甲苯或無水乙醇中的一種或兩種的混合物；本發(fā)明的有益效果為1.沒有水相參與，避免了礦粉的親水性造成的反應(yīng)障礙，礦粉與偶聯(lián)劑可以直接反應(yīng)，接枝效率會更高；2.引入與橡膠基體相容性好，親和力強的功能有機化合物，有利于提高填料的補強性能；3.簡化了固液分離難度，提高干燥效率，避免干燥過程中的結(jié)塊現(xiàn)象。
具體實施例方式本發(fā)明使用的所述的硅酸鹽粘土礦物粉體是指經(jīng)過工業(yè)化選礦提純后的精礦產(chǎn)品，粉體中相應(yīng)礦物的品位超過90%，比表面積大于50m2/g。實施例1改性蒙脫石粉體礦物填料的制備在50L高壓反應(yīng)釜中加入丙酮和乙酸乙酯體積比1:1的混合液20kg，然后加入1.Okg娃燒偶聯(lián)劑，攪拌形成均勻溶液?？刂茢嚢杷俣鹊陀?5rpm時，加入IOkg蒙脫石礦物含量92%，比表面積105m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到60°C，控制攪拌速度為1500rpm，攪拌lh，期間超聲分散20min。靜置冷卻后，加入1. Okg的1，4-戊二烯，繼續(xù)密封，90°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106 °C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次改性蒙脫石礦物粉體。用該粉體填充三元乙丙橡膠，配方 以橡膠質(zhì)量為100計，填充改性蒙脫石填料(份)100，氧化鋅6，硬脂酸4，防老劑2，芳烴油15，促進劑CZ 1，促進劑M 1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到蒙脫石填充三元乙丙復(fù)合橡膠樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528—1998, GB/T 529—1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表I。實施例2改性海泡石礦物粉體填料的制備在50L高壓反應(yīng)釜中加入正丁醇20kg，然后加入0.1kg硅烷偶聯(lián)劑和0.1kg鈦酸酯偶聯(lián)劑，攪拌形成均勻溶液。控制攪拌速度低于25rpm時，加入IOkg海泡石礦物含量95%，比表面積126m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到90°C，控制攪拌速度為1500rpm，攪拌lh，期間超聲分散20min。靜置冷卻后，加入0. 2kg的丙烯腈，繼續(xù)密封，120°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分120°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)協(xié)同改性的海泡石礦物粉體。用該粉體填充丁腈橡膠時，其配方以橡膠質(zhì)量為100計，填充改性海泡石粉體填料(份)50，氧化鋅4，硬脂酸3，防老劑2，芳烴油5，促進劑CZ I，促進劑M 1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到海泡石填充丁腈復(fù)合橡膠樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528-1998，GB/T 529-1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表I。實施例3改性凹凸棒石礦物粉體填料的制備在50L高壓反應(yīng)釜中加入異丙醇和甲苯體積比1:1的混合液20kg，然后加入1.Okg娃燒偶聯(lián)劑和1. Okg鈦酸酯偶聯(lián)劑,攪拌形成均勻溶液。控制攪拌速度低于25rpm時，加入20kg凹凸棒石礦物含量98%，比表面積168m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到80°C,控制攪拌速度為150 0rpm,攪拌Ih,期間超聲分散20min。靜置冷卻后,加入1. Okg的聚丙烯和1. Okg苯乙烯,繼續(xù)密封,90 °C持續(xù)保溫,并在1500rpm條件下攪拌2h,期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分110°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)協(xié)同改性的凹凸棒石礦物粉體。用該改性凹凸棒石礦物粉體填料填充丁苯橡膠，其配方以丁苯橡膠質(zhì)量為100計，填充改性凹凸棒石粉體填料(份)100，氧化鋅4，硬脂酸3，防老劑2，芳烴油5，促進劑CZ1，促進劑M1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到凹凸棒石填充丁腈復(fù)合橡膠樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528—1998, GB/T 529—1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性!!泛，結(jié)果見表I。實施例4改性高嶺土礦物粉體填料的制備在50L高壓反應(yīng)釜中加入乙二醇20kg，然后加入0. 5kg鋁酸酯偶聯(lián)劑，攪拌形成均勻溶液?？刂茢嚢杷俣鹊陀?5rpm時，加入5kg高嶺土礦物含量90%，比表面積76m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到70°C，控制攪拌速度為1500rpm，攪拌Ih，期間超聲分散20min。靜置冷卻后，加入0. 25kg的丁二烯，繼續(xù)密封，110°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)協(xié)同改性的高嶺土礦物粉體。用改性高嶺土礦物粉體填料填充乳聚丁苯橡膠，其配方以乳聚丁苯橡膠質(zhì)量為100計，填充改性凹凸棒石粉體填料(份)100，氧化鋅4，硬脂酸3，防老劑2，芳烴油5，促進劑CZ 1，促進劑M 1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到高嶺土礦物填充乳聚丁苯復(fù)合橡膠的樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528—1998, GB/T 529—1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表I。實施例5改性海泡石礦物粉體填料的制備在50L高壓反應(yīng)釜中加入乙二醇和無水乙醇體積比1:1的混合液20kg，然后加入
0.2kg娃燒偶聯(lián)劑和0. 3kg錫酸酯偶聯(lián)劑,攪拌形成均勻溶液?？刂茢嚢杷俣鹊陀?5rpm時，加入IOkg海泡石礦物含量95%，比表面積126m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到60°C，控制攪拌速度為1500rpm,攪拌Ih,期間超聲分散20min。靜置冷卻后,加入0.1kg的丙烯腈，繼續(xù)密封，100°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)協(xié)同改性的海泡石礦物粉體。用改性海泡石礦物粉體填充氫化丁腈膠，其配方以氫化丁腈橡膠質(zhì)量為100計，填充改性凹凸棒石粉體填料(份)70，氧化鋅4，硬脂酸3，防老劑2，芳烴油5，促進劑CZ 1，促進劑M 1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到海泡石礦物填充氫化丁腈復(fù)合橡膠的樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528—1998, GB/T 529—1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表I。實施例6改性蒙脫石粉體礦物填料的制備在50L高壓反應(yīng)釜中加入無水乙醇和乙酸乙酯體積比1:1的混合液20kg，然后加A 0.1kg硅烷偶 聯(lián)劑和0.1鋁酸酯偶聯(lián)劑，攪拌形成均勻溶液?？刂茢嚢杷俣鹊陀?5rpm時，加入6kg蒙脫石礦物含量92%，比表面積105m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到60°C，控制攪拌速度為1500rpm,攪拌Ih,期間超聲分散20min。靜置冷卻后,加入0. 15kg的丁二烯，繼續(xù)密封，90°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)協(xié)同改性蒙脫石礦物粉體。用改性海泡石礦物粉體填充順丁橡膠，其配方以順丁橡膠質(zhì)量為100計，填充改性凹凸棒石粉體填料(份)70，氧化鋅4，硬脂酸3，防老劑2，芳烴油5，促進劑CZ 1，促進劑M 1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到海泡石礦物填充順丁復(fù)合橡膠的樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528—1998，GB/T 529—1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表I。實施例1改性凹凸棒石礦物粉體填料的制備在50L高壓反應(yīng)爸中加入甲苯和丙酮體積比1:1的混合液20kg,然后加入0. 5kg鈦酸酯偶聯(lián)劑，攪拌形成均勻溶液?？刂茢嚢杷俣鹊陀?5rpm時,加入6kg凹凸棒石礦物含量98%，比表面積168m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到80°C，控制攪拌速度為1500rpm，攪拌Ih,期間超聲分散20min。靜置冷卻后,加入1. Okg的甲苯二異氰酸酯和0. 5kg聚丙烯，繼續(xù)密封，110°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)協(xié)同改性凹凸棒石礦物粉體。
用該改性凹凸棒石礦物粉體填料填充聚氨酯橡膠，其配方以聚氨酯橡膠質(zhì)量為100計，填充改性凹凸棒石粉體填料(份)50，氧化鋅4，硬脂酸3，防老劑2，芳烴油5，促進劑CZ 1，促進劑M 1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到凹凸棒石填充聚氨酯復(fù)合橡膠樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528-1998，GB/T 529-1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表I。實施例8改性凹凸棒石礦物粉體填料的制備在50L高壓反應(yīng)爸中加入異丙醇20kg,然后加入0. 5kg娃燒偶聯(lián)劑,攪拌形成均勻溶液?？刂茢嚢杷俣鹊陀?5rpm時，加入8kg凹凸棒石礦物含量98%，比表面積168m2/g的粉體，密閉反應(yīng)釜，通電加熱到85°C，控制攪拌速度為1500rpm，攪拌lh，期間超聲分散20min。靜置冷卻后，加入0. 3kg的二苯基甲烷二異氰酸酯，繼續(xù)密封，100°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)協(xié)同改性凹凸棒石礦物粉體。用該改性凹凸棒石礦物粉體填料填充聚氨酯橡膠，其配方以聚氨酯橡膠質(zhì)量為100計，填充改性凹凸棒石粉體填料(份)50，氧化鋅4，硬脂酸3，防老劑2，芳烴油5，促進劑CZ 1，促進劑M 1，硫磺2。通過混煉、薄通、出片、硫化，得到凹凸棒石填充聚氨酯復(fù)合橡膠樣條，用數(shù)控萬能材料試驗機，按國標(biāo)GB/T 528-1998，GB/T 529-1999測試復(fù)合橡膠的力學(xué)性能，結(jié)果見表I。表I不同改性礦物粉體補強復(fù)合橡膠的實際效果
權(quán)利要求
1.一種二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料，其特征為該填料組成包括硅酸鹽粘土礦物粉體、偶聯(lián)劑和功能有機化合物，其中硅酸鹽粘土礦物粉體占填料質(zhì)量百分數(shù)的85% 98%;偶聯(lián)劑占填料的質(zhì)量百分數(shù)占1.0% 10%;功能有機化合物占填料的質(zhì)量百分數(shù)占1.0% 10% ;各組分之和為100%o
2.如權(quán)利要求1所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料，其特征為所述的硅酸鹽粘土礦物粉體為蒙脫石礦物、高嶺土礦物、海泡石礦物或凹凸棒石礦物。
3.如權(quán)利要求1所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料，其特征為所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑和錫酸酯偶聯(lián)劑一種或兩種的混合物。
4.如權(quán)利要求1所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料，其特征為所述的功能有機化合物為聚丙烯、1，4-戊二烯、聚乙烯醇、丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、甲苯二異氰酸酯或二苯基甲烷二異氰酸酯。
5.如權(quán)利要求1所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料的制備方法，其特征為所述的二次偶聯(lián)改性礦物填料的制備工藝，包括以下步驟 在高壓反應(yīng)釜中先加入有機溶劑，然后加入有機溶劑質(zhì)量1% 10%的偶聯(lián)劑，攪拌均勻后，在低速攪拌中加入硅酸鹽粘土礦物粉體，礦粉質(zhì)量為有機溶劑質(zhì)量的10% 100%，密閉反應(yīng)釜，加熱到60°c 90°C，保溫，控制攪拌速度為1500rpm，攪拌lh，期間超聲分散20min ;靜置冷卻后，加入有機溶劑質(zhì)量1% 10%的功能有機化合物，繼續(xù)密封，80°C 120°C持續(xù)保溫，并在1500rpm條件下攪拌2h，期間超聲分散20min。冷卻后固液分離后，固相部分106°C 120°C烘干，氣流磨粉碎，密封保存，得到二次偶聯(lián)改性礦物填料。
6.如權(quán)利要求5所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料的制備方法，其特征為所述的硅酸鹽粘土礦物粉體具體為蒙脫石礦物、高嶺土礦物、海泡石礦物或凹凸棒石礦物。
7.如權(quán)利要求6所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料的制備方法，其特征為所述的硅酸鹽粘土礦物粉體是指經(jīng)過工業(yè)化選礦提純后的精礦產(chǎn)品，粉體中相應(yīng)礦物的品位超過90%，比表面積大于50m2/g。
8.如權(quán)利要求5所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料的制備方法，其特征為所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑和錫酸酯偶聯(lián)劑一種或兩種的混合物。
9.如權(quán)利要求5所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料的制備方法，其特征為所述的功能有機化合物為聚丙烯、1，4-戊二烯、聚乙烯醇、丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、甲苯二異氰酸酯或二苯基甲烷二異氰酸酯。
10.如權(quán)利要求5所述的二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料的制備方法，其特征為所述的有機溶劑是指丙酮、乙酸乙酯、正丁醇、異丙醇，乙二醇，甲苯或無水乙醇中的一種或兩種的混合物。
全文摘要
本發(fā)明為一種二次偶聯(lián)改性礦物粉體填料，該填料組成包括硅酸鹽粘土礦物粉體、偶聯(lián)劑和功能有機化合物，其中硅酸鹽粘土礦物粉體占質(zhì)量百分數(shù)的85%～98%；偶聯(lián)劑的質(zhì)量百分數(shù)占1.0%～10%；功能有機化合物的質(zhì)量百分數(shù)占1.0%～10%；各組分之和為100%。本發(fā)明制得的改性礦物填料具有與橡膠基體的相容性好，親和力高的功能性有機化改性礦物粉體，有利于提高填料的補強性能；制備過程沒有水相參與，避免了礦粉的親水性造成的反應(yīng)障礙，礦粉與偶聯(lián)劑可以直接反應(yīng)，接枝效率會更高，同時簡化了固液分離難度，提高干燥效率，避免干燥過程中的結(jié)塊現(xiàn)象。
文檔編號C08L75/04GK103059608SQ20121057545
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者湯慶國, 梁金生, 丁燕, 王菲 申請人:河北工業(yè)大學(xué)