认识橡胶工业中的纳米材料

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1、认识橡胶工业中的纳米材料一、纳米材料在橡胶中的应用纳米材料在橡胶中的应用历史不算太短，在“纳米材料“这一概念被橡胶界人士熟悉之前，大部分橡胶用的炭黑(热裂法炭黑除外)I粒的直径实际上都处于纳米范围之内，白炭黑的情况也与此相类似。由于当时”纳米材料的概念尚未被人们所接受和熟悉，所以，橡胶行业对这两种常用补强材料的认识长期以来都停留在“颗粒细、”“比表面积大”等表面现象上。近年来，通过对纳米科学的系统了解和认识人们不仅掌握了炭黑、白炭黑的补强机理与它们的纳米尺寸有关，而且把这种认知扩大到了橡胶常用的其它粉体材料上。通过研磨、粉

2、碎等加工处理，使它们的尺寸也达到纳米等级(粒径小于100nm)，从而扩大了适用于橡胶的纳米材料的品种范围，使它们在橡胶中的应用面不断扩大。因此，任何粉体状橡胶配合剂只要其细度达到纳米级，功能便可大大提升。例如，填充剂的补强效果即由此而显著提升，着色剂的着色力也可大幅提高。纳米材料在橡胶行业之所以受到如此重视，这是主要原因。从前已开发的橡胶用纳米材料来看，其不同功能可归纳为以下多个方面。(1)提升力学性能实践证明，不同品种的填充剂当其细度达到纳米级后，各种力学。性能都能大幅度提高，与使用N330(相当于高耐磨炭黑的新工艺炭黑

3、)的胶料的力学性能差距大大缩小。例如，在填充量相同的情况下含纳米三氧化二铝的橡胶的拉伸强度可达到含N330橡胶的97．3％，甚至轻质碳酸钙纳米化后橡胶的力学性能也能达到含N330的85．5％。所以对于轻质碳酸钙等常用填充剂来说，引入纳米技术是产品升级换代的可取途径，既可利用原料价廉、来源充沛等优势，又能让产品提高品级。(2)硫化体系减量试验表明，用纳米级氧化锌(粒径50nm)作为硫化活性剂取代普通氧化锌(粒径550nm)，在硫化胶质量不受影响的前提下，用量可从原来的5份减到2份。这一减量建立在氧化锌纳米化后比表面积大幅度增

4、加的基础上。同样，纳米氧化锌作为氯丁橡胶的硫化剂，其用量也可从常规用量的5份减到3～4份。(3)抗光老化任何纳米级配合剂都能起到抗光老化的效果。这是因为它们的比表面积大，具有较强的吸收和反射紫外线的能力，能有效地抑制光老化。(4)阻燃某些还片层结构的纳米材料(典型代表物为纳米级陶土)因结构扁平度大，加长了热量的传递过程，对阻隔热量有利，能起到一定的辅助阻燃作用。(5)防震管状纳米炭黑还具有防震特效。纸样厚薄的管状纳米炭黑能满足汽车防冲杆的减震的需要，也适用于桥梁减震支座。(6)气密在橡胶中添加纳米级粘土类材料，其机理建立在

5、粘土类纳米材料的片层结构的扁平度大，与橡胶的结合力高，所以，对气体分子的牵制作用也大。另外，纳米材料的化学成分和形态结构的作用也很关键。化学成分以硅酸盐为最佳，而几何形态则以片层为最理想。片层结构的纳米级粘土(以蒙脱土为代表)因兼具这两方面的优势，气密性最为突出。(7)灭菌纳米级金属氧化物(如氧化锌、二氧化钛、银系化合物)微粒均属于光催化半导体材料，对有效半径范围内的细菌都能杀灭，效果良好。(8)静电屏蔽粉体纳米材料(如纳米二氧化钛、纳米轻质碳酸钙)都具有静电屏蔽功能，适用于抗静电橡胶制品。(9)幅射屏蔽纳米材料在橡胶中的

6、填充量达到20份后，便具有犹幅射功能，可作为抗电磁波干扰的屏蔽材料。(10)增白由于纳米材料的比表面积和反射面都大，能起到增白和增艳作用。在等量填充的前提下与非纳米级同种材料相比，白度能提高2到3度。纳米级钛白粉尤具这方面的优势。(11)耐热以纳米级氮化硅最为突出，其平均粒径为20nm，具有耐高温、耐磨及导热等多种功能。但因其颗粒偏细从而使它在胶料中的分散困难，需添加偶联剂予以改性。使用纳米级填料后能显著提高耐热橡胶制品在动态条件下的使用寿命。从化学结构上看，纳米材料可概分为金属与非金属两大类，而目前在橡胶中应用的以非金属

7、类居多。二、橡胶纳米复合材料的制备要在橡胶加工中用好纳米材料，首先遇到的难题是如何让纳米级粉体材料顺利地进入橡胶，并均匀分散，因为只有制得橡胶／纳米材料的复合体才能发挥纳米效应。众所周知，凡是纳米粉体的颗粒直径都小于100nm，加之橡胶即使在炼胶时仍保持着高黏度流体状态。因此，要让纳米粉体顺利进入橡胶并均匀分散，决非易事。更因纳米材料的表面效应强烈，自我集聚倾向严重，容易导致附聚、结团。要使之均匀分散难度的确不小。目前，常用的复合途径大致可分四种，即共混法、原位聚合法、溶液-凝胶法以及层间插入法。(1)共混法可以通过三种方

8、法来达到。第一种是机械共混(干混)，也称熔融共混，可利用橡胶厂常用的炼胶机，趁胶料处于粘流状态便将纳米材料与胶料直接共混。此法之优点在于橡胶工厂可以自行完成复合，但缺点是纳米材料很难达到均匀分散。采取两段共混可以有所改进。目前，作为一种创新措施，是把纳米粉剂先做成母胶进行预分散，然后再加入到主体材料(橡