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预分散高浓度高取向高分散碳纳米管母胶/粒的湿法混炼工艺

膏状或块状碳纳米管预分散母胶

· 导电塑料

碳纳米管的杨氏模量约为1. 8TPa,拉伸强度约为200GPa,比钢高100倍,密度却只有钢的1/6到1/7,碳纳米管的弹性应变最高可达12%左右,拥有良好的柔韧性,碳纳米管的电导率和导热性也非常好。因此碳纳米管是一种潜在的代替炭黑或白炭黑的纳米填料。但是由于碳纳米管的强表面效应等纳米材料特性,导致碳纳米管之间非常容易发生团聚和缠结,采用普通的机械混炼工艺难以在橡胶塑料等基体材料中分散均匀,往往造成橡胶塑料等制品的力学性能无法明显改善甚至变差,因此限制了其在复合材料中的应用,许多新型的混合方法被应用到橡胶与填料的混合过 程,例如将聚合物胶乳和填料浆混合并凝固制备聚合物填料母炼胶的方法,即湿法混炼。与干法混炼相比,采用湿法混炼不仅改善碳纳米管的分散,还能降低能耗、减少设备投资,但是缺点是凝固和干燥时间长,生产 周期长、效率降低。
为了制备高分散和高取向的碳纳米管母粒/胶用于碳纳米管复合材料领域,可以参考湿法混炼白炭黑填充天然橡胶的制备方法,通过配制浆料(白炭黑15-40% +69-85%水+偶联剂+表面活性剂)、混合均匀、研磨,将混合料加入到胶乳中,搅拌混合成胶乳混合液,然后加醋酸絮凝,经洗胶机洗胶脱水、造粒,设备投入小,粉尘污染小,节约能源,白炭黑的分散性和均匀性提高。

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碳纳米管母炼粒/胶的液相连续制备方法:

1)制备碳纳米管悬浮液;

碳纳米管悬浮液包括油性悬浮液和水性悬浮液。制备碳纳米管悬浮液的步骤包括 将碳纳米管、表面活性剂、稳定剂和分散剂加入油性溶剂或水性分散介质中,通过搅拌设备制备稳定的碳纳米管油性或水性悬浮液。

2)将所述碳纳米管的悬浮液与橡胶溶液/乳液和任选的橡胶配合剂溶液/悬浮液连续分散与混合,得到碳纳米管/橡胶/溶剂混合物;

通过 10-60MPa高压泵,将碳纳米管悬浮液、橡胶溶液(或乳液)和任选的橡胶配合剂溶液/悬浮液以100-500m/s的流速分别输送到流道截面积渐变的管路中,继而在高压和流道冲击、混合的作用下,得到分散均匀且稳定的碳纳米管/橡胶/溶剂混合体系,并以一定的流速进入到下一步连续凝固与挤压工艺。

3)对所述碳纳米管/橡胶/溶剂混合物同时进行凝固与连续挤压,以实现碳纳米管取向,去除水或溶剂之后得到碳纳米管/橡胶混合物;

向碳纳米管/橡胶/溶剂混合物流体中加入0. 01-1. 00重量%的凝固剂,将橡胶迅速凝固后得到稳定的橡胶/碳纳米管共沉混合物流体同时连续进入脱水 (溶剂)螺杆挤出机组、破胶机组20-60MPa高压挤出,得到的去除水或溶剂的碳纳米管/橡胶混合物胶块,胶块经过输送系统进入下一步连续干燥工艺。同时凝固与连续挤压的步骤包括高速流动时凝固共沉、初步脱水、深度脱水、螺杆挤出机塑炼、挤出取向,以实现碳纳米管在橡胶中的取向。

4)对所述碳纳米管/橡胶混合物进行连续干燥,得到碳纳米管母炼粒/胶。

将经过脱水(或脱溶剂)、破碎成块的碳纳米管/橡胶混合物,连续输送至高温干燥通道 中,充分干燥后加工成粉状、颗粒状或块状,即可作为碳纳米管母炼胶进行使用,干燥温度 80-120°C。高温干燥通道的加热方法包括但不限于饱和蒸汽、热空气、微波、 远红外、盐浴、超声波等加热工艺。干燥后得到的母炼胶可通过破胶机、精磨机等加工成粉状,也可低温冷冻后研磨成粉状;母炼胶也可通过造粒机加工成为颗粒状;或者采用普通水压机压成块状。
5)将经过干燥的碳纳米管母炼胶连续进入一至多台密炼机、一至多台开炼机、一 至多台螺杆挤出机,加工成型直至硫化。

碳纳米管浓度高时可作为预分散的碳纳米管使用,中低浓度的碳纳米管母炼胶可加入其他配合剂作为混炼胶使用。

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