一段混煉時間對石墨烯/天然橡膠/溶聚丁苯橡膠復合材料性能的影響

林廣義，王 宏，王 佳，王洪浩，井 源，胡亞菲*

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.山東省高分子材料先進制造重點實驗室，山東 青島 266061）

混煉是橡膠制品生產的主要工序之一，不同混煉工藝制備的橡膠制品質量不同[1-3]。混煉時間、混煉溫度以及填料種類等對橡膠復合材料的性能，如流變性能、力學性能、導電性能、導熱性能和氣密性能等影響很大[4-6]。

石墨烯作為新型納米材料具有多功能性的特點，當石墨烯在橡膠復合材料中分散良好時，其與橡膠的界面相互作用較強[7-8]，能夠賦予橡膠復合材料良好的物理性能。但是，石墨烯在輪胎中的應用面臨諸多難點，主要原因是石墨烯密度小、比表面積大、易團聚，在橡膠中極難分散，無法達到理想的補強效果[9]。

通過將2種或2種以上的橡膠并用可以得到某些特殊功能的復合材料[10]。天然橡膠（NR）/溶聚丁苯橡膠（SSBR）并用可取長補短，制備的復合材料兼具兩者的優良性能，達到理想的并用效果：復合材料具有單一的玻璃化溫度（Tg），SSBR中含具有特征鏈化學結構的乙烯基與NR組成相容體系[11-13]；NR可以改善SSBR的加工性能，提高混煉效果，使復合材料具有高耐磨性能、抗氧化性能、抗濕滑性能以及低滾動阻力等特點[14-17]。

本工作采用兩段混煉工藝制備氧化石墨烯（GO）/NR/SSBR 和 還 原 氧 化 石 墨 烯（rGO）/NR/SBR復合材料，研究一段混煉時間對復合材料性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

NR，SCR10，青島華夏橡膠有限公司產品；SSBR，牌號T2000，中國石化上海高橋化工有限公司產品；炭黑N330，上海卡博特化工有限公司產品；GO和rGO，山東歐鉑新材料有限公司產品；氧化鋅，宣城昌瑞新材料有限公司產品；硬脂酸，衡水宇祥橡膠化工有限公司產品；微晶蠟，深圳市南方巴斯夫進出口有限公司提供；防老劑4020，上海森迪化工有限公司產品；橡膠油，蘇州禾森特種油有限公司產品；硫黃，鶴壁寶山常青能源有限公司產品；促進劑TBBS，煙臺恒鑫化工科技有限公司產品。

1.2 配方

NR 50，SSBR 50， 炭 黑N330 50，GO 或rGO 1.5，氧化鋅 4，硬脂酸 2，微晶蠟 1，防老劑4020 2.5，橡膠油 5，硫黃 2，促進劑TBBS 1.3。

1.3 主要設備和儀器

BL-6157型雙輥開煉機，寶輪精密檢測儀器有限公司產品；XSM-500型橡塑試驗密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；QLB-400×400×2平板硫化機，上海第一橡膠機械廠有限公司產品；M-2000-AN型無轉子硫化儀和TS 2005b型拉力試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；LX-A型邵爾硬度計，上海六菱儀器廠產品；E4991B型阻抗分析儀，德國Novocontrol公司產品；DTC-300型導熱儀，美國TA公司產品；VAC-V2型壓差法氣體滲透儀，濟南藍光機電科技有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉工藝

膠料采用兩段混煉工藝進行混煉。一段混煉在密煉機中進行，密煉室初始溫度為90 ℃，轉子轉速為80 r·min-1，混煉工藝為：將NR和SSBR剪成細條狀投入密煉機中進行共混，然后加入小料，混煉均勻后加入GO或rGO，混煉均勻后加入炭黑，混煉均勻后加入橡膠油，繼續混煉至設定混煉時間時排膠。二段混煉在開煉機上進行，混煉工藝為：加入一段混煉膠、硫黃和促進劑，薄通8—10次，混煉均勻后下片，冷卻待用。

1.4.2 硫化工藝

將混煉膠置于平板硫化機上硫化，硫化條件為150 ℃/10 MPa×1.3t90。硫化膠停放12 h后進行進行裁樣及性能測試。

1.5 性能測試

（1）硫化特性。硫化特性按照GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉子硫化儀測定硫化特性》進行測試。

（2）物理性能。邵爾A 型硬度按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》進行測試；拉伸性能按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》進行測試（啞鈴形試樣），撕裂強度按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》進行測試（直角形試樣），拉伸速率均為500 mm·min-1。

（3）導電性能。體積電阻率按照GB/T 2439—2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠 導電性能和耗散性能電阻率的測定》進行測定。

（4）導熱性能。根據ASTM E 1530—2006《用保護的熱流計技術評定材料耐傳熱性能的標準試驗方法》取1片硫化膠片（112 mm×83 mm×2 mm），在硫化膠片的5個位置分別裁取5個試樣，試樣表面用酒精擦拭后均勻噴涂1層石墨，洗耳球吹干石墨層，將試樣放入導熱儀中測試熱導率。

（5）氣密性能。透氣系數按照GB/T 7755.1—2019《硫化橡膠或熱塑性橡膠 透氣性的測定 第1部分：壓差法》進行測定。

2 結果與討論

2.1 一段混煉時間對復合材料硫化特性的影響

一段混煉時間對GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR復合材料硫化特性的影響見表1。

表1 一段混煉時間對復合材料硫化特性的影響（150 °C）Tab.1 Influence of first stage mixing time on vulcanization characteristics of composites（150 °C）

由表1可以看出：隨著一段混煉時間的延長，GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR 復 合 材 料 的FL和Fmax增大，原因是混煉時間越長，橡膠分子被切割的次數越多，GO和rGO越容易分散在橡膠分子間，與橡膠分子形成的結合點越多，形成的網絡結構越密；t90呈縮短趨勢，這是由于混煉時間長，使GO和rGO形成了更均勻的導熱通路，熱傳導速度快，從而縮短了硫化時間。總之，混煉時間越長，越有利于GO和rGO在復合材料中分散。

2.2 一段混煉時間對復合材料物理性能的影響

一段混煉時間對GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR復合材料物理性能的影響見表2。

表2 一段混煉時間對復合材料物理性能的影響Tab.2 Influence of first stage mixing time on physical properties of composites

由表2可以看出，隨著一段混煉時間的延長，GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR 復 合 材 料 的 邵 爾A型硬度、300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度均呈現先增大后減小的趨勢。分析認為，一段混煉時間延長，GO和rGO在復合材料中分散更均勻，但是一段混煉時間過長，會導致橡膠分子鏈斷裂，即其相對分子質量降低，嚴重影響復合材料的物理性能[18-20]。一段混煉時間為5.5 min時，GO/NR/SSBR和rGO/NR/SSBR復合材料的綜合物理性能較佳。

圖1示出了混煉過程中橡膠分子鏈斷裂模型，過煉會導致橡膠分子鏈斷裂，直接影響復合材料的物理性能。

圖1 混煉過程中橡膠分子鏈斷裂模型Fig.1 Rubber molecular chain fracture model in mixing process

2.3 一段混煉時間對復合材料導電性能的影響

一段混煉時間對GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR復合材料體積電阻率的影響見表3。

表3 一段混煉時間對復合材料體積電阻率的影響Tab.3 Influence of first stage mixing time on volume resistivity of composites Ω·cm

由表3可以看出，隨著一段混煉時間的延長，GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR 復 合 材 料 的 體 積電阻率均呈先減小后增大的趨勢。分析認為：一段混煉時間延長，GO和rGO在復合材料中分散更均勻，形成了較為均勻的導電通路，復合材料的導電性能提升；一段混煉時間超過5.5 min時，混煉時間過長，導致橡膠分子鏈斷裂，附著在分子鏈上的石墨烯結合點移開，導電通路出現滑移，造成復合材料的導電性能降低。

2.4 一段混煉時間對復合材料導熱性能的影響

一段混煉時間對GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR復合材料熱導率的影響見表4。

由表4可以看出，隨著一段混煉時間的延長，GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR 復 合 材 料 的 熱 導率呈先增大后大幅減小的趨勢。分析認為：隨著一段混煉時間的延長，GO和rGO在橡膠與炭黑之間均勻分散，導熱網絡更加均勻，復合材料的導熱性能提升；但一段混煉時間超過5.5 min，發生過煉現象，橡膠分子鏈發生斷裂，導熱網絡隨之被破壞，復合材料的導熱性能急劇降低。

表4 一段混煉時間對復合材料熱導率的影響Tab.4 Influence of first stage mixing time on thermal conductivity of composites W·（m·K）-1

2.5 一段混煉時間對復合材料氣密性能的影響

一段混煉時間對GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR復合材料透氣系數的影響分別見圖2和3。

從圖2和3可以看出：隨著一段混煉時間的延長，GO/NR/SSBR 和rGO/NR/SSBR 復 合 材 料 的透氣系數均呈先減小后平穩再增大的趨勢，這是由于混煉時間不同導致GO和rGO在橡膠中分散情況不同造成的，GO和rGO在橡膠中分散越均勻，形成的“曲折通路”（如圖4所示）越均勻，氣密性能越好；當一段混煉時間超過5.5 min，混煉時間過長，“曲折通路”被破壞，復合材料的透氣系數變大，氣密性能變差。

圖2 一段混煉時間對GO/NR/SSBR復合材料氣密性能的影響Fig.2 Influence of first stage mixing time on air tightness performance of GO/NR/SSBR composites

圖3 一段混煉時間對rGO/NR/SSBR復合材料氣密性能的影響Fig.3 Influence of first stage mixing time on air tightness performance of rGO/NR/SSBR composites

圖4 GO/NR/SSBR和rGO/NR/SSBR復合材料透氣模型示意Fig.4 Permeability model of GO/NR/SSBR and rGO/NR/SSBR composites

3 結論

（1）一段混煉時間直接影響GO和rGO在復合材料中的分散效果，隨著一段混煉時間的延長，GO和rGO在復合材料中分散更加均勻，GO/NR/SSBR和rGO/NR/SSBR復合材料的FL和Fmax增大，t90縮短。

（2）隨著一段混煉時間的延長，GO/NR/SSBR和rGO/NR/SSBR復合材料的邵爾A型硬度、300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度呈現先增大后減小的趨勢；導電性能和導熱性能呈先提高后降低的趨勢；氣密性能呈先提高后平穩再降低的趨勢。