碳納米管/硅橡膠復合材料的阻尼性能研究

程衛平 周傳忠 史朝龍 田雨

摘 要：將碳納米管（CNTs）作為阻尼填料添加到阻尼硅橡膠中，研究表明CNTs可以在保證硅橡膠力學強度的同時，不大幅改變硅橡膠模量，同時提高硅橡膠的損耗因子，添加CNTs的硅橡膠在-70～20℃范圍內損耗因子提升了20%，而硅橡膠-30℃下的彈性模量僅僅從20MPa變化到了24MPa。

關鍵詞：碳納米管;損耗因子;彈性模量;阻尼橡膠

在硅橡膠中添加無機填料提高硅橡膠損耗因子的方法簡便易行，目前，關于CNTs對熱硫化硅橡膠阻尼性能影響的研究還較少。以CNTs為無機填充劑制備的CNTs/硅橡膠復合材料，在提高硅橡膠的阻尼性能的同時，又不會對硅橡膠基體的玻璃化轉變產生影響，又可以保證基體本身的恒模量特性。[1]有望通過碳納米管/硅橡膠復合材料結合基體和填料的優點，從而制備出兼具有良好力學性能，阻尼性能的新型材料。本文在自制阻尼硅橡膠的基礎上，繼續制備了CNTs/硅橡膠復合材料，研究了CNTs對硅橡膠物理機械性能、動態力學性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料及儀器

阻尼硅橡膠，自制;多壁碳納米管（工業級），Φ150nm，長度6—8μm;氣相法白炭黑（工業級）;過氧化二異丙苯（DCP），分析純。

1.2 實驗部分

在雙輥開煉機上加入100g阻尼硅橡膠，按照表1中的基本配方，加入一定量的硫化劑及碳納米管，薄通3～5次，打卷3～5次，下片，用裁刀裁成相應形狀后放入模具和平板硫化機中，硫化溫度為150℃，硫化時間按照依照無轉子硫化儀測定的正硫化時間。

1.3 測試分析

場發射電鏡掃描采，樣品在液氮中脆斷，斷面噴金處理。邵氏硬度測試，按照GB/T531.1-2008測試。拉伸應力應變性能按照GB/T528-2009測試，撕裂強度按照GB/T529-2008測試。

動態力學測試，測試方法為壓縮模式，樣品規格為φ10*10圓柱，溫度范圍-70～150℃，測試頻率為125Hz，升溫速率為3℃/min，靜壓縮量為5%，振幅30μm。

2 結果與分析

2.1 微觀形貌

采用SEM觀察了碳納米管/硅橡膠復合材料的微觀形貌，如圖1是碳納米管（CNTs）填充量分別為0、5、10份下的掃描電鏡照片，圖1（a）中，散落分布的白色顆粒為白炭黑，白炭黑均勻分布在硅橡膠基體中，表明白炭黑在硅橡膠中具有良好的分散性和相容性。同時表面還存在一些凹坑，這可能是由于凹坑內團聚的白炭黑留在了另一部分基體當中

而加入CNTs的硅橡膠表面形貌則出現了明顯的變化，圖1（b）和（c）中，都出現了許多白色棒狀的碳納米管，碳納米管長度最長可達幾個微米，而直徑則在200納米左右?？梢钥吹教技{米管一部分埋入硅橡膠內部，另一部分露出基體表面，存在從基體中拔出的現象，表明同硅橡膠的相互作用較弱，CNTs在硅橡膠中散布較為均勻，基本沒有出現團聚的現象。

2.2 碳納米管對硅橡膠物理機械性能的影響

隨CNTs用量上升，硅橡膠拉斷伸長率下降、拉斷永久變形上升，當CNTs用量為5份時，硅橡膠硬度上升了3、拉伸強度從8.19MPa下降到7.97MPa，而撕裂強度則變化不大，當CNTs用量為增加到10份時，硅橡膠拉伸強度仍能保持在785MPa，CNTs無法使硅橡膠的拉伸強度進一步上升，主要原因可能是CNTs表面未進行過改性，因而與硅橡膠基體間相互作用太小，當硅橡膠受到外力時，碳納米管輕易地就從硅橡膠基體中脫離出來，沒有起到補強的效果。

2.3 碳納米管對硅橡膠動態力學性能的影響

隨碳納米管用量的增加，硅橡膠損耗因子上升，CNTs添加量為5份時，硅橡膠在-70～20℃范圍內損耗因子提升了20%。損耗因子的提升來源于CNTs在硅橡膠變形過程中和硅橡膠基體發生界面摩擦作用引起了能量耗散。而CNTs本身的損耗因子沒有硅橡膠高，繼續添加碳納米管后，CNTs/硅橡膠復合材料中硅橡膠所占比例降低，硅橡膠在高溫下的損耗因子繼續上升，而在低溫下損耗因子的提升不明顯。如圖2所示。

從圖3中可以看出碳納米管對硅橡膠模量的影響很小，硅橡膠-30℃下的彈性模量僅僅從20MPa變化到了24Mpa，這表明碳納米管這種無機填料可以在不明顯改變硅橡膠模量的情況下，提高硅橡膠的損耗因子，這一點與白炭黑對硅橡膠模量的影響有明顯差異。CNTs與白炭黑對硅橡膠差別在于同硅橡膠的結合力不同，CNTs同硅橡膠結合力較弱，不會同硅橡膠形成填料網絡結構，因此隨CNTs用量增加，硅橡膠整體模量變化不大。

3 結論

研究發現，CNTs在硅橡膠基體中分散均勻，未發生團聚現象，隨著CNTs用量增加，硅橡膠的拉伸強度小幅下降。但是CNTs可以在保證硅橡膠準恒模量的前提下提高硅橡膠的阻尼性能，并且對硅橡膠本身的物理機械性能不會產生大的負面作用。

參考文獻：

[1]Nadeem I，Mohammad B，Sadia S，et al.Fabrication and characterization of multiwalled carbon nanotubes/silicone rubber composites[J].Journal of Applied Polymer Science，2013，128（4）：2439-2446.