丁苯橡膠/石墨烯復合材料的特性分析

丁雪晨

（河南輕工職業學院，河南鄭州 450000）

SBR/石墨烯復合材料具有優越的導電、導熱性能，而且化學性質穩定，耐久性強，而石墨烯作為用于塑造材料優勢性的主要物質，通過研究不同石墨烯用量條件下復合材料的特性變化，可以為復合材料制作工藝的改善提供依據，促進丁苯橡膠/石墨烯復合材料生產水平的發展。

1 研究目的

石墨烯屬于一種無機填料，這種填料相較于其他無機填料，具備更加優越的物理性能與化學性能，因此，逐漸成為現階段的無機材料研究熱點。但在實際的石墨烯材料制作中，由于石墨烯原子為單層結構，比表面積較高，很容易在相互作用中出現卷曲情況，形成了原子之間的團聚問題，導致其加工性能差，不能被正常應用。為此，人們研發出了丁苯橡膠/石墨烯復合材料，并通過加入丁苯橡膠來消除石墨烯原子團聚的問題，以充分發揮石墨烯優越的物理、化學性能，但因為塑造該復合材料主要應用的物質為石墨烯，所以石墨烯的用量會直接影響復合材料的性能。基于此，本工作擬通過分析不同石墨烯用量下，復合材料的特性情況，得出復合材料優勢性能的塑造規律，希望能夠為橡膠丁苯/石墨烯復合材料制作工藝的改進提供依據。

2 研究過程

2.1 實驗設計

分析丁苯橡膠/石墨烯復合材料的特性，設計了一個不同石墨烯用量條件下，復合材料特性的測試實驗。在實驗設計中，首先，設計了實驗配方。在此過程中，按照常規的復合材料配方，設置了基礎材料配方，然后又分別設計三種石墨烯用量。其中，基礎配方為炭黑、硬脂酸、促進劑、石墨烯/SBR母粒等。三種石墨烯母粒的用量分別為，3份0.171 8、2份0.127 6、1份0.126 3，其中的0.171 8、0.127 6、0.126 3為石墨烯的質量分數。在此過程中，石墨烯的實際用量為0.5、0.25、0.125份。其次，研究者確立了膠料混煉工藝作為復合材料的制作工藝。具體來說，此次制作工藝為兩段混煉工藝，其操作過程分為兩個部分，即借助密煉機的第一段混煉，以及使用開煉機的第二次混煉。在第一次混煉中，將轉子轉速參數設置為80r/min，將初始混煉溫度設置為80℃，并先將SBR放入密煉機內，0.5min后，再放入母粒、硬脂酸、氧化鋅，待2.5min后，繼續放入炭黑，此后當密煉機運行3min時，進行清掃排膠操作。然后開始第二次混煉，并將取出的混煉膠從密煉機內取出，放入開煉機中加以煉制，再冷卻、加入促進劑TBBS、硫黃，待6次薄通后，即可下片完成材料制作。最后，用專門的性能檢測儀器對復合材料的特性加以測定分析，完成此次實驗。

2.2 實驗準備

待實驗設計完畢后，據已經得出的實驗方案準備相應的材料、設備，為后續各個分析環節的實施奠定基礎。在實驗材料準備中，要按照實驗設計中的實驗配方，結合復合材料制作對材料的要求，進行材料準備，以保證材料質量、性能正常。在此過程中，所準備的SBR選用了中國石化公司的產品，以保證材料質量，增強實驗結果的可靠性，同時，石墨烯材料、炭黑也是正規、資質齊全公司的產品，然后按照上述三種的石墨烯含量，用石墨烯與SBR材料，在實驗室中用濕法分別制備了三種對應的SBR/石墨烯母粒，完成了材料準備。在儀器設備準備中，結合上述實驗設計，此次實驗所需的儀器設備主要為，密煉機、開煉機，以及特性測試儀器設備。其中，密煉機選用了由日本神戶制鋼公司生產的BB2型設備，其翻轉電機功率0.75kW、翻轉角度140°、壓縮空氣量≥0.3、冷卻水工作壓力0.2～0.4MPa，開煉機選用了XK-160型號設備。在特性測試儀器設備的選用上，選用了R100S型號的硫化儀，結合MV200型的門尼黏度計為硫化特性的測試儀器，其中，硫化儀為實驗室專用精密測試儀器，其工作臺尺寸為320mm*230mm、沖切行程為25mm、重量50kg，同時選用了T10型拉力實驗機作為物理特性的測試儀器，并使用了Y-25型壓縮疲勞實驗機作為動態特性測試儀器。針對分散性，研究者則依靠硫化、動態特性測試結果，直接得出了石墨烯的分散特性情況，因此，此部分特性分析無須額外準備儀器設備。

2.3 硫化特性分析

待實驗完畢后，根據所得出的數據結果，對三種石墨烯用量條件下，復合材料的硫化、物理、動態、分散這四個特性進行分析，以得出石墨烯用量變化為復合材料所帶來的影響。其中，在硫化特性分析中，該特性能夠直接反映出復合材料的加工性能。一般來說，門尼黏度計得出的數據能夠反映出復合材料加工操作的難易度，而硫化儀數據則可以呈現出復合材料加工的安全性。在此次實驗中，當石墨烯用量為0.5、0.25、0.125份的情況下，門尼黏度數據分別為，87、87、83，而門尼黏度值越小說明復合材料加工性能越好，但0.5、0.25份用量條件下，復合材料的門尼黏度值一致，由此可見，當石墨烯用量達到一定水平后，復合材料的加工操作難度將不再增加。從硫化儀數據上來看，當石墨烯用量分別為0.5、0.25、0.125份時，硫化誘導期值分別為33.39min、31.19min、27.29min，其中，硫化誘導期即為焦燒時間，而硫化誘導期越長，那么材料的加工安全性能就越高，可以看出，石墨烯用量的減少，將會影響復合材料的加工安全性，但硫化誘導期長度又與加工效率直接相關，當誘導期過長時，加工效率就會降低，由此可知，在復合材料的硫化特性方面，當石墨烯達到一定用量后，其用量越大，門尼黏度值越大，同時，硫化誘導期越短。

2.4 物理特性分析

在物理特性分析中，復合材料經過T10型拉力實驗機的實驗，研究者得出了在石墨烯用量為0.5、0.25、0.125份的情況下，復合材料密度均為1.13Mg·m3，邵爾A型硬度分別為70度、71度、70度，300%定伸應力分別為11.8MPa、13.2MPa、15.7MPa，100% 定伸應力分別為2.71MPa、2.77MPa、3.25MPa，拉伸強度分別為，21.6MPa、21.8MPa、23.7MPa，撕裂強度分別為53kN/m、56kN/m、52kN/m，拉斷伸長率為467%、421%、400%。根據上述數據可以看出，在復合材料物理特性方面，石墨烯質量分數的增加，并沒有讓材料的硬度出現明顯的變化，而在石墨烯用量為0.125份時，定伸應力與拉伸強度則明顯上升，但0.5、0.25份石墨烯用量時，復合材料的定伸應力與拉伸強度并不存在明顯差異。此外，在撕裂強度方面，根據現行的膠料性能國家標準，三種石墨烯用量情況下，復合材料的撕裂強度，并沒有超出合理范圍，而且也沒有為材料的撕裂強度性能帶來過大變化，因此，若添加量在0.5份以內，那么復合材料的撕裂強度物理性能則不受明顯影響。基于此，在物理性能方面，當石墨烯用量達到0.125份以上后，定伸應力與拉伸強度這兩項性能水平會降低，但繼續增加用量，性能水平則無明顯下降，同時，石墨烯用量的變化對撕裂強度、硬度也不存在顯著影響。

2.5 動態特性分析

在動態特性分析中，使用Y-25型壓縮疲勞實驗機對復合材料進行了壓縮疲勞實驗，以實現對疲勞溫升、永久形變、終動壓縮率這幾個動態特性項目進行分析。在操作中，將溫度設定為了55℃壓縮負荷設置為1MPa沖程值設置為4.45mm實驗轉速為400r/min、實驗時間為0.5h。結果顯示，在由多到少的三種石墨烯用量條件下，終動壓縮率分別為，10.6%、8.6%、7.7%，疲勞溫升分別為47℃、44℃、38.3℃，永久變形分別為4.8%、3.8%、2.5%，由此可見，在動態特性方面，石墨烯用量的增加會使復合材料的疲勞溫升提高，同時，永久形變、終動壓縮率也會提升[1]。

2.6 分散特性分析

在分散特性分析上，從硫化實驗內容來看，門尼黏度值隨著石墨烯用量的增加而提高，主要是因為石墨烯質量分數的增大加劇了其團聚效應，使其分散度下降，導致黏度增加，而這種分散特性的變化也直接反映在了由硫化儀實驗得出的MH-ML值的變化上，根據實驗結果，在0.5、0.25、0.125份的石墨烯添加量條件下，MH-ML為13.83dN·m、15.95dN·m、18.49dN·m，其中MH-ML表示交聯程度，該交聯度是指石墨烯原子與SBR的交聯密度，也就是說，交聯度越大復合材料中的石墨烯分散性能就越強。從數據可以看出，石墨烯用量減少，會使石墨烯分散性增強，因此，在復合材料的石墨烯分散特性上，石墨烯用量越少，其分散特性就越強。此外，上述特性也在動態特性實驗上存在明顯的體現。在此過程中，由于石墨烯的團聚現象會促進復合材料生熱，因此，隨著石墨烯用量的增加，復合材料的疲勞溫升也越高，充分呈現出了石墨烯用量越少、分散性越好的復合材料中石墨烯分散特性[2]。

3 結果分析

加入少量的石墨烯能夠優化復合材料的加工性能以及物理性能，而適當增加石墨烯則可以延長焦燒時間，提高材料加工的安全性。此外，石墨烯的分散性越強，其復合材料的疲勞溫升就越低，而疲勞溫升低說明了材料的耐久性優越，同時，少量添加石墨烯可以保證其在復合材料中的良好分散性，因此，少量添加石墨烯，可以在一定程度上優化復合材料的耐久性[3]。

4 結束語

合理控制石墨烯的添加量，能夠提升丁苯橡膠/石墨烯復合材料的使用性能。研究發現，減少石墨烯的添加量，能夠優化材料的加工性能，而增大石墨烯的添加量則會優化材料的硫化性能，同時，所添加石墨烯的分散性能關系著材料的耐久性，所以應根據實際需求控制石墨烯添加量。