一种高生胶强度橡胶材料及其制备方法和应用与流程

本技术涉及一种高生胶强度橡胶材料及其制备方法和应用，属于橡胶材料。

背景技术：

1、橡胶生胶的强度是决定其制品性能的核心指标，直接影响轮胎、减振元件、密封件等关键领域产品的耐久性、抗撕裂性及动态力学性能。传统增强技术主要依赖化学交联（如硫化体系优化）和物理填料（如炭黑、白炭黑等）两类手段，但这些方法存在显著局限：化学交联需依赖高温高压工艺，能耗高且易引发环保问题；而传统填料虽能提升模量与硬度，却会牺牲材料柔韧性，过量添加更易导致界面结合力不足、分散不均等问题，造成强度与弹性的失衡，限制其在高端场景的应用。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于异型纳米纤维结构设计的橡胶材料增强技术，通过引入梯度变径纤维、端部球型纤维及树枝型纤维三类特征纳米结构，在纳米尺度构建多级应力传递网络与能量耗散机制，获得低生胶粘度、高拉伸强度和断裂伸长率的橡胶材料。

2、本技术提供了一种高生胶强度橡胶材料，按重量份数计包括：

3、橡胶100份、异型纤维组合物1~10份、分散剂0.5~5份；

4、所述异型纤维组合物包括梯度变径纤维、端部球型纤维、树枝型纤维中的一种或多种。

5、其中梯度变径纤维为纤维直径沿轴向平滑过渡形成连续的力学梯度，可有效分散橡胶基体中的应力集中，在动态载荷下，梯度结构通过逐步传递能量，显著延缓裂纹萌生与扩展。同时纤维通过变径结构增大比表面积，从而使界面结合强度呈现梯度分布，避免局部应力突变导致的界面脱粘。

6、其中端部球型纤维为纤维的至少一端具有直径大于主体部分的球型或类球型结构，该纤维结构具有较好的锚固增强效应，在动态载荷下，应力通过球型端部向主干均匀传递，避免应力集中导致的界面失效。同时该结构可机械性阻断微裂纹扩展路径，当裂纹延伸至纤维端部时，球型几何迫使裂纹扩展方向偏转，消耗额外断裂能。

7、其中树枝型纤维为纤维沿轴向延伸过程中形成至少一个分枝结构，该纤维结构具有较好的三维网络强化效应，当裂纹遇到分枝节点时，分枝结构会迫使裂纹发生强制分叉，同时其多级界面产生协同耗能作用，消耗裂纹扩展所需的能量，从而有效阻止裂纹的进一步扩展，提高橡胶材料的力学性能。

8、对于梯度变径纤维，以其中的波浪状纤维和锥形纤维为例，波浪状纤维为纤维轴向呈现波浪状起伏结构的纤维，而锥形纤维为纤维直径从一端向另一端渐缩，形成锥形轮廓结构的纤维，除此之外其他符合梯度变径纤维的纤维形貌也在本技术方案的保护范围之内。

9、对于端部球型纤维，端部球型的数量不做具体限定，可以为一个或两个，为两个时则主干的两端分别有一个端部球型，此外对于端部球型的形状不做严格限定为球型，本领域技术人员可以理解，类球型或者能够起到与本技术方案中端部球型类似效果的都应该在本技术方案保护范围内。

10、对于树枝型纤维，通过主干和分枝的长度以及主干和分枝的直径可以区分主干和分枝，此外对于分枝的数量不做具体限定，分枝数量不小于一个，并且对于分枝的位置不做具体限定，例如可以在主干的中间位置形成分枝，还可以在主干的两端末端形成分枝，对于分枝的角度也不做具体限定。

11、可选的，所述异型纤维组合物1~5份。

12、当异型纤维组合物含量较低时，对橡胶材料的改性效果较小，当组合物含量较高时，会一定程度影响纤维的分散均匀性，降低对橡胶材料性能的改善效果。

13、可选的，所述异型纤维组合物的纤维直径小于1000 nm；

14、可选的，所述异型纤维组合物的纤维直径小于500 nm；

15、当纤维尺寸达到纳米尺度时，其在提升橡胶基体的力学性能方面表现得更加出色。这是因为纳米纤维具有更高的比表面积，能够与橡胶基体形成更为有利的界面结合。相较于微米级纤维，纳米纤维在较低的使用比例下就能实现显著的改性效果，从而避免高填充量时纤维对橡胶分子链运动造成的阻碍以及因此引发的动态生热过高的问题。随着纤维尺寸进一步减小至500纳米以下，纤维对橡胶分子链的约束作用由“刚性限制”转变为“柔性导向”。这种变化使得橡胶材料在强度得到增强的同时，保持了良好的弹性，从而进一步提升材料的综合性能。

16、可选的，所述梯度变径纤维的纤维直径沿轴向平滑过渡变化，纤维直径沿轴向每百纳米长度内变化率小于50 nm，纤维长径比为5~200；

17、可选的，梯度变径纤维长径比为5~100；

18、梯度变径纤维直径为平均直径，即纤维直径最大值和最小值的平均值，纤维长径比为纤维的长度和纤维平均直径的比值。

19、如果纤维的直径在轴向上变化较大，当橡胶复合材料受到外力时，应力传递过程中会在这些直径突变的部位产生较大的应力集中，进而削弱橡胶材料的整体改性效果。

20、可选的，所述端部球型纤维包括主干和端部球型，除端部球型外的主干长径比为5~200，端部球型直径：主干直径为1.2~3。

21、可选的，主干的直径沿轴向平滑过渡变化，主干的直径沿轴向每百纳米长度内的变化率小于50 nm；

22、可选的，端部球型纤维除端部球型外的主干长径比为5~100。

23、端部球型纤维直径为除端部球型外的主干平均直径，即主干直径最大值和最小值的平均值，除端部球型外主干长径比为除端部球型外主干的长度与平均直径的比值；端部球型直径：纤维直径为端部的球型的直径与主干纤维平均直径的比值。

24、当端部球型纤维的长径比过大时，会导致在加工过程中出现纤维缠绕的问题，这会影响纤维在橡胶基体中的分散均匀性。此外，过长的纤维在加工过程中受到机械剪切力时，容易发生断裂；当端部球型的直径与纤维直径的比值过大时，外部应力通常会集中在端球型的底部，从而显著增加该区域的断裂风险。

25、可选的，所述树枝型纤维包括主干和分枝，主干长径比为10~200，分枝长径比为5~150，主干和分枝的长度比为1~200，主干和分枝的直径比为1~20，主干的直径沿轴向平滑过渡变化，主干的直径沿轴向每百纳米长度内变化率小于50 nm；

26、可选的，树枝型纤维的主干长径比为10~100；

27、可选的，主干和分枝的长度比为1~100。

28、树枝形纤维以平均直径大的为主干，平均直径小的为分枝，平均直径相同时以长度大的为主干，长度小的为分枝，平均直径为纤维直径最大值和最小值的平均值；主干长径比为主干的长度与平均直径的比值；分枝长径比为分支的长度与直径的比值；主干和分枝的直径比为主干平均直径与分枝直径的比值。

29、当树枝状纤维的主干长径比与分支长径比过高时，会导致在加工过程中出现纤维缠绕的问题，这会影响纤维在橡胶基体中的分散均匀性。此外，过长的纤维在加工过程中受到机械剪切力时，容易发生断裂；主干纤维和分枝纤维的长度比和直径比过高，纤维的三维网络强化效应变低，对橡胶的改性效果变差。

30、可选的，所述梯度变径纤维占异型纤维组合物总量的50~90wt%；

31、可选的，所述梯度变径纤维占异型纤维组合物质量的60~80wt%；

32、本方案中橡胶材料的关键性能需求是强度性能，以减少外部作用力对其造成的破坏，而为实现这一目标，需要高比例的梯度变径纤维。

33、可选的，所述异型纤维的材质为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚烯烃纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚氯乙烯纤维、聚苯并咪唑纤维和聚四氟乙烯纤维中的一种或多种；

34、所述聚酯纤维包括聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维、聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维、聚萘二甲酸乙二醇酯纤维中的一种或多种；

35、所述聚氨酯纤维包括聚醚型聚氨酯纤维、聚酯型聚氨酯纤维中的一种或多种；

36、所述聚烯烃纤维包括聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚1-丁烯纤维及乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-庚烯、1-辛烯、4-甲基-1-戊烯单体的卤代均聚物/共聚物/卤代共聚物纤维中的一种或多种；

37、所述聚酰胺纤维包括聚己内酰胺纤维、聚己二酰己二胺、聚癸二酰癸二胺、聚癸二酰己二胺、聚十二烷酰己二胺、聚十一内酰胺、聚十二酰胺、聚己二酰丁二胺中的一种或多种。

38、需要说明的是，本技术并不限定异型纤维的材质，除上述列举的材料之外，基于上述材料进行改性或类似物或其他在橡胶制品中常用的纤维材料在理论上均可以制备成异型纤维，起到相同的作用。

39、可选的，所述橡胶包括天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、丁戊橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、丙烯酸酯橡胶、氯磺化聚乙烯、硅橡胶、聚氨基甲酸酯橡胶、聚醚橡胶、聚硫橡胶中的一种或多种；

40、可选的，所述橡胶包括天然橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、丁戊橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶中的一种或多种。

41、可选的，所述分散剂为脂肪酸衍生物、重均分子量为2000以上且60000以下的低分子量二烯系液态聚合物、含有端羧基的二烯系液态聚合物、白油、烷基酚醛系树脂、石油树脂、松香、松香改性树脂、香豆酮-茚树脂、萜烯系树脂中的一种或多种。

42、本技术提供了上述的高生胶强度橡胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

43、s1、将橡胶总量的50~70 wt%和异型纤维组合物、分散剂进行第一次混炼，得到一段混炼胶；

44、s2、将全部剩余的橡胶加入一段混炼胶中进行第二次混炼，得到二段混炼胶，即获得高生胶强度橡胶材料；

45、可选的，所述步骤s1、s2中的混炼温度为50~170 ℃，所述步骤s1、s2的混炼时间为2~10 min。

46、本技术提供了上述的高生胶强度橡胶材料的又一种制备方法，所述方法包括如下步骤：

47、1）将橡胶的乳液以及纳米异型纤维进行混合而获得原料分散液；

48、2）在搅拌的条件下，将凝固剂加入到分散液中使橡胶凝固，通过过滤和洗涤将水、凝固剂去除，获得凝固物，然后加入分散剂在搅拌条件下进一步的混合；

49、3）将混合了分散剂的所述凝固物干燥而获得干燥物，即获得高生胶强度橡胶材料；

50、可选的，所述步骤2）凝固物的含水量10~30 %，所述步骤3）干燥条件为在60~100℃的温度下干燥2~10 h处理。

51、本技术提供了上述的高生胶强度橡胶材料在制备轮胎、胶管制品中的应用。

52、本技术方案的有益效果包括：

53、1）本技术方案中橡胶材料，通过加入异型纤维配合，梯度变径纤维、端部球型纤维和树枝型纤维能够提高橡胶材料的生胶强度。

54、2）本技术方案提供的橡胶材料具有优异的高生胶强度，相比原材料在拉伸强度、断裂伸长率和门尼粘度性能上具有更优的综合性能，能更好地满足轮胎、胶管制品中对综合性能的高要求。