碳納米管技術在提高輸送帶硫化效率的應用

徐玉海，褚靜，宋靜芳

（阜新環宇橡膠（集團）有限公司，遼寧 阜新 123000）

碳納米管技術在提高輸送帶硫化效率的應用

Carbon nanotube technology in improving the eff ciencyof conveyor belt vulcanization

徐玉海，褚靜，宋靜芳

（阜新環宇橡膠（集團）有限公司，遼寧 阜新 123000）

作為重要的納米功能纖維，碳納米管因其所具有的獨特一維結構和納米級尺寸以及高強度、高彈性和優異的導熱性、電導性等性能，在化學、物理、材料等各個領域中都具有廣闊的發展前景，而迅速成為世界范圍內各國研究人員的關注焦點。本文主要就碳納米管技術在輸送帶領域中的應用，對碳納米管技術和輸送帶硫化技術進行了研究概述，分析探討了碳納米管技術在提高輸送帶硫化效率中的作用，希望能對這方面的相關研究提供一些參考價值。

碳納米管；輸送帶；硫化效率

隨著納米科技的發展，納米材料已成為多學科交叉研究的基礎，在物理、化學、生物、能源等多個領域都得到了廣泛的應用。各種納米材料中，碳納米管由于其獨特的結構以及優異的電學、光學、力學和熱穩定性能在科學界的研究中得到了長久的青睞。而由于現代工業的快速發展，各種類型物料的運輸對輸送帶的安全性和穩定性以及數量種類都提出了更高的要求，碳納米管在輸送帶中的應用不僅會大大提高輸送帶的硫化效率，也會提高輸送帶的其它方面性能，對我國輸送帶的發展有重要意義。

1 碳納米管技術研究概述

碳納米管是一種具有特殊結構的一維納米材料，主要由呈六邊形的碳原子組成的數層到數十層的同軸圓管構成，其合成方法主要有四種方法：一是電弧蒸發法，是早期宏量制備碳納米管的重要方法，主要是通過改變電弧放電的條件和氛圍來實現單壁、雙壁、多壁碳管的選擇性制備；二是激光蒸發法，通過這種方法，可以得到高純度、高結晶度的單壁碳納米管；三是熱處理法；四是化學氣相沉積法，該方法可控性更強，可進行規模化生產，利用此種方法可合成各種特殊形貌的碳納米管，其應用極大地推動了碳納米管技術的發展。

雖然國內外已研發出了多種制備碳納米管的方法，但碳納米管的制備過程通常會出現碳納米顆粒、金屬催化劑和無定形碳等雜質，所以在實際中需要對碳納米管做進一步純化處理，其中對單壁和多壁碳納米管的處理方法主要有氧化劑氧化、活性劑液相分散、酸化處理等，但雙壁碳納米管的提純處理方法則有待研究。另外，對碳納米管的化學修飾研究則主要集中于通過化學功能團的引入，來有效改善碳納米管在特定環境下的溶解性。碳納米管由于其優異的電學和力學性能使它在復合材料中得到了廣泛的應用，特別是對碳納米管與高分子復合材料的研究已成為目前科學界和產業界研究的主題之一。除高分子材料外，碳納米管在金屬、陶瓷等其它復合材料以及傳感器、探針等領域中也得到了廣泛的應用。

2 輸送帶硫化研究概述

“硫化”這一詞是從最初的天然橡膠制品用硫磺作交聯劑進行交聯中而得名，硫化是橡膠加工中的最后一個工序，橡膠大分子在加熱下與硫磺發生反應，交聯成為立體網狀結構，經過硫化后的橡膠被稱為硫化膠。影響硫化過程的因素主要存在于以下幾個方面。

（1）硫化溫度，橡膠是不良導熱體，其制品的硫化進程會因為各部位溫度的差異而不同，為了保證硫化程度的均勻性，厚橡膠制品一般采用逐步升溫、低溫長時間硫化。

（2）硫磺用量，用量越多，硫化速度越快，硫化程度也越高，但硫磺在橡膠中的溶解度是有限的，硫磺過量就會產生噴硫現象。

（3）硫化時間，這一因素是硫化工藝中要特別注意的環節，硫化時間不能過長也不能過短，只有適宜的硫化程度，才能保證橡膠制品的最佳綜合性能。

輸送帶的硫化過程一般分為四個階段：第一階段為硫化誘導期，這一階段交聯還未開始，膠料有很好的流動性，硫化誘導期時間的長短除與膠料本身性質相關外，還與其所用助劑有很大的關系，比如使用延遲性促進劑可增加膠料的焦燒時間與加工安全性；第二階段為預硫化時期，該時期關聯程度較低，硫化膠的彈性、扯斷強度到后期也不能達到預想水平；第三階段為正硫化時期，硫化膠的各項物理性能達到或接近最佳，各項性能達到綜合平衡；第四階段為過硫時期即硫化返原期，天然膠的定伸強度下降，多數合成膠定伸強度增加，在過硫階段，若交聯仍占強勢，橡膠就會發硬，定伸強度繼續增加。輸送帶硫化在整個工序中起著非常重要的作用，硫化過程中膠帶硫化溫度和時間應嚴格符合所用膠料的性能，并嚴格控制好不同階段的硫化溫度。

輸送帶的硫化主要有織物芯輸送帶的硫化、鋼絲繩芯輸送帶的硫化等，其中織物芯輸送帶的硫化方式一般為平板硫化機硫化和鼓式硫化機硫化，國外有一種連續平板硫化裝置，同時兼具平板硫化機和鼓式硫化機的特性。而鋼絲繩芯輸送帶的生產方法則一般采用恒張力成型硫化法和低張力成型硫化法，其中主要方法為恒張力成型硫化法，在多個國家都得到了廣泛的應用。

3 碳納米管技術在輸送帶硫化中的應用

整體而言，雖說我國輸送帶在產量和品種上都能基本滿足國內需求，也有部分進行出口，但與發達國家相比，輸送帶的品質還是存在著一定的差距，如使用壽命較短、產品檔次低、規格系列不完全、測試手段不完善等等。為了解決這些問題，使我國的輸送帶工業朝著安全、環保、節能、節材的方向更好地發展，碳納米管技術在輸送帶硫化中得到了廣泛的應用，大大提高了輸送帶的硫化效率。

碳納米管具有優美奇特的孔狀幾何結構，這種幾何與電子結構使其集眾多優點于一身，除了有極高的楊氏模量和極大的長徑比外，它還具有抗拉強度高、導電率好等特性。通過在碳納米管表面接枝極性基團，可極大地增大碳納米管的極性，使其更易于分散到橡膠中。研究表明碳納米管在輸送帶硫化中的用量增加，可適量提高硫化膠的硫化程度和交聯程度。輸送帶硫化過程中，應用碳納米管技術，膠料的焦燒時間基本保持不變，正硫化時間卻呈現縮短趨勢，硫化速度加快。大量研究也表明多壁碳納米管經改性后，應用在輸送帶硫化過程中，其焦燒時間和正硫化時間提前了，硫化速率也提高了，這是因為改性后，原先碳納米管的表面羥基轉化了，從而導致碳納米管的表面羧基結構減少，消耗較少的硫化促進劑，所以焦燒時間和正硫化時間略微提前。

碳納米管其納米粒子作為光催化劑，有著許多優點：粒徑小、比表面積大、光催化效率高，其生成的電子、空穴在到達表面之前大部分不會重新結合，因此導致到達表面的數量多，化學反應活性很高，碳納米管的成分納米二氧化硅經改性后，可在橡膠中大量填充，混合后的膠料更易混煉，硫化速度大大加快，且工藝適應性非常好，能有效保持硫化橡膠的拉斷強度，伸長保持率高。

另一成分納米氧化鋅因其團聚現象微小，分散效果很好，在輸送帶硫化過程中能極大提高硫化膠的交聯程度，提高輸送帶的撕裂強度、拉伸強度等力學性能和耐老性能。另外碳納米管技術在輸送帶的應用中要注意由于碳納米管在橡膠溶液中會以塊狀團體的形式存在，且長度不均，所以原始碳納米管在輸送帶應用中必須添加硫磺或其它助劑，這樣有助于碳納米管在橡膠溶液中的分散，有助于聚合物分子鏈對碳納米管的附著。

4 結束語

輸送帶式輸送機的重要部件，它和其它部件組合在一起，起到承載和運送物料的作用，其作用的重要性不言而喻。碳納米管技術在輸送帶硫化過程中的應用，不僅大大縮短了混凝膠的硫化時間提高了硫化效率，也提高了輸送帶的耐磨性、定伸應力和導電導熱性能，這對于我國輸送帶生產效率和質量水平的提高具有十分重要的意義。

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TQ336

1009-797X （2015） 16-0083-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.026

徐玉海，男，漢，工程師，大專學歷，研究輸送帶新產品研發。

2015-06-24