一種橡膠補(bǔ)強(qiáng)用改性凹凸棒石的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明所屬領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)機(jī)礦物材料應(yīng)用，具體為利用天然無(wú)機(jī)礦物凹凸棒石制備一 種橡膠補(bǔ)強(qiáng)用改性凹凸棒石填料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 凹凸棒石黏土簡(jiǎn)稱凹土，又名坡縷石，是一種含水富鎂鋁的硅酸鹽礦物，典型的化 學(xué)式為Mg5Sis02Q(0H)2(0H2)4 · 4H20,結(jié)構(gòu)獨(dú)特，單根纖維晶的直徑在20~70nm左右，長(zhǎng)度 約為0. 5~5μm，是一種天然的一維納米材料，具有諸多優(yōu)異性能，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和 功能的重要非金屬黏土礦物，被稱為"千土之王，萬(wàn)用之土"。產(chǎn)品不僅涉及化工、機(jī)械、能 源、汽車(chē)、輕工、冶金、建材等傳統(tǒng)行業(yè)，而且進(jìn)入以信息、生物、航空航天、海洋開(kāi)發(fā)、新材料 和新能源為代表的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著新的應(yīng)用要求不斷出現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步拓寬。 我國(guó)凹土礦產(chǎn)資源豐富，價(jià)格低廉，但研究起步比較晚，其研發(fā)、生產(chǎn)和加工水平比較落后， 凹土產(chǎn)品主要應(yīng)用在比較低端的行業(yè)（初級(jí)產(chǎn)品和一些低附加值產(chǎn)品）。因此，開(kāi)發(fā)高技術(shù) 含量、多樣化、能滿足不同行業(yè)需求的凹土產(chǎn)品，將是我國(guó)凹土行業(yè)發(fā)展的方向。
[0003] 近年來(lái)，納米復(fù)合材料是材料學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，由于它所具有的優(yōu)異綜合性能， 已成為復(fù)合材料的最重要的前沿研究方向。而凹凸棒石作為一種天然的一維納米材料，在 理論上具有對(duì)聚合物良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。
[0004] 針對(duì)凹凸棒石基橡膠用納米補(bǔ)強(qiáng)填料的研究較多，但是大多停留在理論研究階 段，還未發(fā)現(xiàn)橡膠/凹凸棒石復(fù)合材料工業(yè)化的報(bào)道。這是因?yàn)橄鹉z行業(yè)傳統(tǒng)的加工方法 為機(jī)械混煉法，而凹凸棒石雖然屬于層狀硅酸鹽礦物，但其結(jié)構(gòu)特殊，是一種內(nèi)部布滿與延 長(zhǎng)方向一致的孔道的、富含沸石水、配位水和結(jié)構(gòu)水的纖維，表面具有較強(qiáng)的極性，與橡膠 所具有的非極性不能很好地相容，因此，凹凸棒石不能像蒙脫石那樣簡(jiǎn)單地借助與大分子 鏈的剪切作用擴(kuò)大層間距，剝離出納米尺度的片層，難以得到性能優(yōu)良的復(fù)合材料，必須對(duì) 其表面進(jìn)行處理，降低其表面極性，增加與非極性材料的相容性以達(dá)到在基體材料中的納 米尺度分散。
[0005] 本申請(qǐng)的發(fā)明人對(duì)我國(guó)凹凸棒石主要產(chǎn)地江蘇省和甘肅省的凹凸棒石進(jìn)行了系 統(tǒng)的研究，對(duì)其進(jìn)行提純處理后，經(jīng)過(guò)對(duì)其表面的改性，制備了性能優(yōu)良的橡膠補(bǔ)強(qiáng)用凹凸 棒石填料。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是通過(guò)提純、改性等方法，改善極性凹凸棒石與非極性橡膠之 間的相容性，得到物理性能優(yōu)良的復(fù)合材料。該方法利用可溶性碳源對(duì)凹凸棒石進(jìn)行包覆、 炭化改性，工藝較為簡(jiǎn)單，得到的改性凹凸棒石可以直接應(yīng)用于橡膠行業(yè)傳統(tǒng)的機(jī)械共混 制備工藝，有效地提高橡膠制品的性能，并降低產(chǎn)品的成本。該方面的研究未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種利用天然礦物凹凸棒石制備橡膠補(bǔ)強(qiáng)用填料的方法，即將沉降 離心提純后的天然凹土通過(guò)可溶性碳源溶液的浸泡、包覆，經(jīng)過(guò)烘干、研磨過(guò)篩后置于還原 氣氛中進(jìn)行高溫炭化，得到表面炭包覆的納米凹凸棒石。該方法的優(yōu)越性在于將天然凹土 進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，可以在保證其纖維狀結(jié)構(gòu)不被破壞的前提下，改變其表面的極性，增強(qiáng)其 與非極性橡膠的相容性，增大了凹凸棒石在橡膠基體中的填充量。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：凹凸棒石的提純與改性，其工藝過(guò)程包括凹凸棒石的分散、 離心、浸泡、烘干、過(guò)篩以及在還原氣氛中的表面高溫炭化。
[0008] 具體制備的步驟如下：
[0009] 1)凹凸棒石的提純：（a)將凹凸棒石分散到水溶液中，配成濃度為3-50%的溶 液；加入分散劑，其中分散劑的加入量為凹凸棒石質(zhì)量的1 _6% ;在40_90°C下水浴加熱，攪 拌5-60分鐘，轉(zhuǎn)速為500-5000轉(zhuǎn)/分鐘；(b)將分散好的凹凸棒石漿液離心，離心轉(zhuǎn)速為 300-4500轉(zhuǎn)/分鐘；離心完成后取上層凹凸棒石漿液，過(guò)濾；（c)產(chǎn)物置于真空干燥箱中 40~85°C干燥3~48h后研磨過(guò)200目篩，備用。
[0010] 2)凹凸棒石的預(yù)包覆：將可溶性碳源溶于水中，將其逐漸加入提純后的凹凸棒 石，攪拌均勻，產(chǎn)物置于真空干燥箱中40~85°C干燥3~48h后研磨過(guò)200目篩，備用。
[0011] 3)凹凸棒石的炭化：將烘干、過(guò)篩后的預(yù)包覆凹凸棒石置于坩堝中，于還原氣氛 (5%H2+95%N2)下300~800°C煅燒1~12h后冷卻至室溫，過(guò)200目篩即得橡膠補(bǔ)強(qiáng)用 改性凹凸棒石。
[0012] 由于凹凸棒石納米晶粒在通常情況下容易聚集，導(dǎo)致凹凸棒石與橡膠復(fù)合后不能 很好的分散，不能充分發(fā)揮凹凸棒石晶粒的納米材料效應(yīng)。納米尺度的分散是制備礦物與 聚合物基納米復(fù)合材料的關(guān)鍵。本發(fā)明首先利用水溶液將凹凸棒石晶粒溶脹，在分散劑與 高速機(jī)械攪拌的作用下將其解離，然后通過(guò)高速離心將大顆粒物質(zhì)去除，只收集懸浮性能 優(yōu)異、粒徑尺寸較小的高純度凹凸棒石顆粒，以最大尺度地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。
[0013] 由于凹凸棒石為親水性無(wú)機(jī)物質(zhì)，其與天然橡膠基體的界面性質(zhì)不同，相容性差， 難以在橡膠中均勻分散，直接充填容易導(dǎo)致橡膠制品的某些機(jī)械性能下降。為了改善其應(yīng) 用性能，必須對(duì)凹凸棒石進(jìn)行改性處理。本發(fā)明利用可溶性碳源溶液對(duì)高純度凹凸棒石進(jìn) 行浸泡、包覆，在還原氣氛下對(duì)其進(jìn)行高溫炭化，使其表面覆蓋有非極性的炭層，實(shí)現(xiàn)凹凸 棒石與非極性橡膠在納米尺度的復(fù)合，從而提高橡膠制品的綜合性能。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1凹凸棒石粘土炭化前后的紅外光譜圖
[0015] 圖2凹凸棒石粘土炭化前后的SEM照片
[0016] 具體實(shí)施方法：
[0017] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容。 實(shí)施例
[0018] 1.原材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備
[0019] (1)實(shí)驗(yàn)原料：
[0020] 凹凸棒石江蘇省盱眙縣
[0021] 葡萄糖市售分析純
[0022] 天然橡膠市售
[0023] (2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備
[0024] 高溫管式氣氛爐WLS-1600合肥科晶儀器有限公司；
[0025] 真空干燥箱DZF-6020上海一恒科學(xué)儀器有限公司；
[0026] 電熱恒溫水浴鍋：DK-98-1型，天津市泰斯特儀器有限公司；
[0027] 開(kāi)放式塑煉機(jī)：SK_160B型，上海輕工機(jī)械股份有限公司；
[0028] 平板硫化機(jī)：QLB-350X350X2型，上海第一橡膠機(jī)械廠。
[0029] 2.凹凸棒石的提純
[0030] 取l〇〇g凹凸棒石，配置成10%質(zhì)量濃度的水溶液，加入3g分散劑六偏磷酸鈉，于 60°C水浴中加熱，攪拌30分鐘，轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘；
[0031] 將分散好的凹凸棒石