浸胶液中添加纳米材料蒙脱土改性研究

周伟芳　刘　淼

摘要：随着汽车轮胎工业的发展，对轮胎骨架材料帘子布的要求越来越高，而浸胶液对帘子布的质量起着非常重要的作用，它决定着帘子线与橡胶的粘结力水平。针对现有RFL浸胶液配方不足的状况，通过在浸胶液中添加纳米材料蒙脱土，使纤维骨架材料和橡胶之间的粘结力、帘线柔软性等得以改善。

关键词：浸胶液；蒙脱土；粘结力；纳米材料；反应机理

中图分类号：TB383

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)14-0013-02

随着汽车轮胎工业的发展，对轮胎骨架材料帘子布的要求越来越高，而浸胶液对帘子布的质量起着非常重要的作用，它决定着帘子线与橡胶的粘结力水平。在浸胶液中加入一些微量添加剂，可以减少紫外线、臭氧、温湿度等对粘合性能的破坏。降低帘线在热处理过程中的强力损失，而且可以使帘线的柔软性和耐疲劳性得到一定程度的改善。

目前纳米技术的发展异常迅速，并在部分领域实现了产业化，其也为帘子布浸胶液的研究提供了新的方法和途径。经过对国内外纳米材料技术的研究，决定在浸胶液中添加纳米材料蒙脱土进行改性研究。

一、纳米材料蒙脱土简介

利用纳米材料蒙脱土和高分子聚合物共混制成的聚合物，蒙脱土纳米复合材料，是目前研究最多、最有希望工业化的聚合物纳米复合材料。聚合物纳米复合材料是以聚合物为基体(连续相)、填充颗粒以纳米尺度分散于基体中的新型高分子复合材料。在纳米复合材料中，分散相的尺寸至少在一维方向小于100nm。和传统的复合材料相比，由于分散性的纳米离子带来的纳米尺寸效应、大比表面积和纳米粒子与基体间的极强的界面结合作用，其具有优于相同组份常规聚合物复合材料的力学、热学性能，是一种全新的高技术材料，具有广阔的商业开发和应用前景。

由于聚合物／蒙脱土纳米复合材料实现了纳米相分散、强界面作用和自组装，具有较常规聚合物／无机填料复合材料无法比拟的优点，如优异的力学、热学性能和气体阻透性能等，因此备受关注。

(一)蒙脱土的结构

本研究所用的蒙脱土(MMT)是我国丰产的一类天然粘土矿物经特殊处理而成，是一种层状硅酸盐。其结构片层是纳米尺度的，包含有三个亚层，在两个(Si,Al)-0四面体亚层中间夹含一个(AL,Mg,Li)-(O,OH)八面体亚层组成一个基本晶层单位。亚层之间通过共用原子以共价键连接，结合极为牢固。基本晶层单位的厚度约1nm，沿蒙脱土层面方向扩展，天然晶为0.1～2μm，合成品为10～100nm。由于铝氧八面体亚层中的部分铝原子被低价原子取代，片层带有负电荷，过剩的负电荷靠游离于层间的Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺阳离子平衡。国外自20世纪90年代初期就开展在尼龙、涤纶、芳纶帘子布浸胶液中添加合成蒙脱土进行改性试验，效果显著。

(二)聚合物纳米复合材料用蒙脱土的组成及要求

当聚合物，蒙脱土纳米复合材料中聚合物的质量分数为100时，合成蒙脱土的组成如下：

蒙脱土矿物质应具有阳离子交换容量(CEC)50～200meq/100g，最好为90～110meq/100g，其中钠离子交换容量在70～90meq/100g。当交换容量CEC大于200meq/100g时，极高的层间库仑力使得蒙脱土不易以纳米级尺度均匀分散于聚合物基体中；当交换容量低于50meq/100g时，粘土不能有效的与聚合物单体相互作用，从而不足以保证蒙脱土与聚合物基体的相容性，使蒙脱土不易均匀分散在聚合物基体中。蒙脱土矿物最好用球磨机粉碎至适当的颗粒尺寸，一般粒径应在37～74μm，片层厚度为9.6埃，层间距离为2～5A，层间距离越大，力学性能和耐热性能改善越大。

二、RFL浸胶液加入蒙脱土改性试验

(一)主要试验仪器及设备

单线浸胶机、NF-50型电热式平板硫化机、粘结力测试机、高速搅拌机、磁力搅拌器、PH值测试仪、粘度测试仪。

(二)主要试验原材料

甲醛水溶液(37％)、间苯二酚(固)、氢氧化钠(固)、VP(乙烯基吡啶胶乳)(40％)、SBR(苯乙烯一丁二烯胶乳)(40％)、氨水(20％)、尼龙66复捻帘线、MMT。

(三)试验用改性浸胶液的配制方法

取蒙脱土分散液160ml加入到所配制的RFI浸胶液(300m1)中，搅拌均匀待用。

(四)试验结果

综合多次试验结果，粘结力平均变化率如图1所示：

三、可能的反应机理

本试验所用的蒙脱土经处理后在水中分散成稳定的悬浮液，可获得稳定的粘性。并使其比表面积扩大，同时由于蒙脱土表面保持了很多的羟基，其对水溶液具有极强的吸附作用，从而抑制了粘结剂基质成分向纤维软线内部渗透。在这种状态下，对纤维软线进行热处理时，上述粘结剂基质成分在纤维软线的表层处固化，因此，在纤维内层的纤维丝之间的自由度变大，结果改善了纤维软线的柔软性，从而使纤维软线自身的高强度得以保持并使其耐疲劳性得到提高。

同时，由于在蒙脱土中添加有插层剂和其它阳离子型表面活性剂，其较容易进入蒙脱土晶片间的纳米空间，并能显著增大晶片间层间距，其有利于间苯二酚一甲醛的初始缩聚物分散、插层进入层状蒙脱土片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出的热量，克服蒙脱土片层间的库仑力并使其剥离，从而使蒙脱土以纳米尺度的片层均匀分散在RFL胶液中。在帘线进行浸胶热处理及帘线和橡胶的硫化过程中，在PFL与尼龙纤维之间以及RFL与橡胶之间通过物理扩散及化学键作用结合在一起时，纳米级的蒙脱土片层在三者之间起到增强效应，形成强的界面相互作用，从而达到提高粘结力的目的。因此，即使帘线表面RL涂敷量很少，也能获得和橡胶之间良好的粘结力。

四、结论

通过在RFL浸胶液中添加适量的纳米材料蒙脱土，可以明显的提高纤维骨架材料和橡胶之间的粘结力，且可以提高帘线的柔软性，从而有利于帘线的耐疲劳性的提高；当蒙脱土的含量占整个浸胶液含固量的1％～2％时，浸胶液分散体系的稳定性较好，粘度及PH值与未加入蒙脱土的浸胶液相比变化不大，而且粘结力的提高幅度相对较大。