丁苯橡膠石墨烯復(fù)合材料的特性分析

張可新

（上海眾合檢測應(yīng)用技術(shù)研究所有限公司，上海 200436）

在石墨烯材料當(dāng)中，本身在導(dǎo)熱性能方面比較良好，因此被廣泛應(yīng)用于無極填料當(dāng)中，屬于現(xiàn)階段當(dāng)下十分良好的二維納米材料。在對其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的過程當(dāng)中，該材料的特性發(fā)揮在一定程度上受到了其他因素的限制，比如填充的均勻程度等，因此在此種程度下需要對石墨烯這種材料進(jìn)行細(xì)致的分析和研究。石墨烯在和其他材料進(jìn)行混合制作而成的材料當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)對其復(fù)合材料整體性能的有效提升，因此需要利用對石墨烯/丁苯橡膠復(fù)合材料來做出性能特點(diǎn)的有效分析和研究為以后的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

一、石墨烯丁苯橡膠復(fù)合材料概述

早在100 多年前，石墨烯丁苯橡膠復(fù)合材料的雛形已經(jīng)出現(xiàn)，對于天然橡膠人們就開始了對其使用研究。橡膠本身在彈性和強(qiáng)度方面相對良好，因此其使用價(jià)值相對較高，在使用的過程當(dāng)中，需要進(jìn)行強(qiáng)度和彈性的提升，以此來增加利用率。炭黑對于橡膠材料的強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)有效增加，因此石墨烯材料逐漸被廣泛地應(yīng)用于橡膠的強(qiáng)度增加方面。在人們生產(chǎn)和生活當(dāng)中，橡膠材料扮演著重要的角色，其本身具備良好的性能，在價(jià)格方面具有優(yōu)勢，因此被我國的各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。石墨烯丁苯橡膠復(fù)合材料屬于一種全新的材料，在環(huán)保性能方面相對良好，其復(fù)合材料當(dāng)中的石墨烯在導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能方面相對良好。因此，此種材料被廣泛應(yīng)用于電子企業(yè)和環(huán)保企業(yè)當(dāng)中，尤其是在輪胎制造行業(yè)當(dāng)中，效果顯著。石墨烯在塑料材料當(dāng)中屬于具有優(yōu)勢特點(diǎn)的主要物質(zhì)，可以對復(fù)合材料本身的制作工藝提供出改善的基本條件，對于丁苯橡膠石墨烯復(fù)合材料的生產(chǎn)制造水平可以起到有效地促進(jìn)作用。

二、實(shí)驗(yàn)研究

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

石墨烯屬于一種無機(jī)填料，相比較其他填料來說，本身的無力性能和化學(xué)性能是相當(dāng)優(yōu)越的，因此成了現(xiàn)階段無機(jī)材料的研究熱點(diǎn)話題。在實(shí)際的石墨烯材料制作過程當(dāng)中，其石墨烯當(dāng)中的原子屬于單層結(jié)構(gòu)，因此在表面積方面相對較高，因此在生產(chǎn)制作的過程當(dāng)中由于其相互的作用，而產(chǎn)生卷曲的現(xiàn)象較多，因此由于原子之間所存在的團(tuán)聚問題，因此導(dǎo)致了其本身加工性能較差的特點(diǎn)，在應(yīng)用方面相對較差。根據(jù)此種特點(diǎn)，在石墨烯當(dāng)中加入丁苯橡膠，來對其原子團(tuán)聚的問題進(jìn)行消除，最大限度地發(fā)揮其物理和化學(xué)性能。此種方式下的復(fù)合材料當(dāng)中的主要物質(zhì)為石墨烯，因此在石墨烯的用量方面對于復(fù)合材料的性能會(huì)產(chǎn)生一定的作用和影響。在此種程度上，需要對不同的石墨烯用量來對復(fù)合材料展現(xiàn)出的特性進(jìn)行分析和研究，從而得出復(fù)合材料的塑造規(guī)律。

（二）研究過程

首先在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的部分當(dāng)中，需要對丁苯橡膠石墨烯的復(fù)合材料特點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)行不同石墨烯用量情況下復(fù)合材料的特點(diǎn)測試實(shí)驗(yàn)。對于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)配方的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，根據(jù)其常規(guī)的復(fù)合材料，來進(jìn)行基礎(chǔ)材料配方的設(shè)計(jì)，進(jìn)行三種石墨烯用量的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，基礎(chǔ)配方主要分為幾種類型，分別是炭黑、硬脂酸、促進(jìn)劑、石墨烯/SBR 母粒等，其用量主要為3 份0.171 8、2 份0.127 6、1 份0.126 3，其中石墨烯的質(zhì)量為0.1718、0.127 6、0.1263。在這個(gè)過程當(dāng)中，石墨烯的實(shí)際使用用量為0.5、0.25、0.125 份。其次，在膠料混煉工藝當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的制作。其中具體的制作主要分為兩段混煉工藝部分，在具體的操作過程當(dāng)中，可以分為兩個(gè)部分來進(jìn)行制造，其中第一段的混煉需要在密煉機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)，在開煉機(jī)的制造當(dāng)中屬于第二次的混煉部分。在第一次的混煉當(dāng)中，需要保持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持在80rmin，對于初始的混煉參數(shù)需要設(shè)置為80rmin，在密煉機(jī)當(dāng)中放置SBR，保持0.5min 之后，將其母粒、硬脂酸、氧化鋅進(jìn)行放入其中，等待2.5 分鐘之后，將炭黑放入其中，在密煉機(jī)當(dāng)中運(yùn)行三分鐘的時(shí)候，將排膠進(jìn)行清掃制作。對于第二次的混煉，需要將取出的混煉膠從密煉機(jī)當(dāng)中進(jìn)行取出，并且放置到開煉機(jī)當(dāng)中進(jìn)行煉制之后，實(shí)現(xiàn)其冷卻和促進(jìn)劑TBBS、硫黃的添加，此種操作需要等到6次薄通，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)的材料制造。最后，在專門的性能檢測儀器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料的性能測定分析，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的完成。

（三）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完畢之后，需要根據(jù)得出的實(shí)驗(yàn)方案來準(zhǔn)備對應(yīng)的材料和設(shè)備，以此來為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析環(huán)節(jié)做出基礎(chǔ)的奠定。對于實(shí)驗(yàn)材料方面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)配方和復(fù)合材料對實(shí)驗(yàn)材料的需求，來進(jìn)行準(zhǔn)備，以此來對材料的質(zhì)量和性能做出最保證。在這個(gè)過程當(dāng)中，主要借助于SBR來實(shí)現(xiàn)對材料質(zhì)量的保證,對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性也可以增強(qiáng)和提升，與此同時(shí)，石墨烯材料和碳灰方面需要根據(jù)其石墨烯的含量來利用上文當(dāng)中的方式進(jìn)行SBR/ 石墨烯母粒的制備，以此來完成實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備。對于儀器設(shè)備的準(zhǔn)備，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來進(jìn)行準(zhǔn)備，其中實(shí)驗(yàn)所需要的設(shè)備為密煉機(jī)、開煉機(jī)和特性測試儀器。在密煉機(jī)的選擇方面，選擇BB2 型設(shè)備，其翻轉(zhuǎn)電機(jī)功率0.75kW、翻轉(zhuǎn)角度140°、其中≥0.3 的壓縮空氣質(zhì)量和0.2～0.4MPa 的冷卻水工作壓力，對于開煉機(jī)的選擇，主要選擇XK-160 型的設(shè)備。對于其特性測試的儀器設(shè)備，利用R100S 型號的硫化儀設(shè)備來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基于MV200 型的門尼黏度計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對特性的檢測。在硫化儀當(dāng)中，為實(shí)驗(yàn)室專用的精密儀器設(shè)備，需要應(yīng)用到尺寸為320mm*230mm 的工作臺(tái)，25mm、重量50kg 的沖切行程，在拉力試驗(yàn)機(jī)的選擇方面，需要利用T10 型的儀器進(jìn)行測試，借助于Y-25 型壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行特性測試。對于其復(fù)合材料的分散性，需要借助于硫化性能和動(dòng)態(tài)特性等多個(gè)方面的測試結(jié)果來實(shí)現(xiàn)對其石墨烯的分散特點(diǎn)做出有效全面的分析。由此可見，對于部分特性繼續(xù)分析的過程當(dāng)中不需要準(zhǔn)備額外的儀器設(shè)備。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

首先，對于其硫化特點(diǎn)進(jìn)行分析，混煉膠本身內(nèi)部所含有的門尼粘度和硫化特點(diǎn)可以用JS-1，JS-2，JS-3 來表示，其中JS-1 粘度的指數(shù)分別為87,87,83，JS-2 粘度數(shù)值分別為9.42、25.37、15.95、10.82、31.18，在JS-3 的粘度指數(shù)分別為9.06、27.55、18.49、11.18、27.28。對于數(shù)值加工的性能分析方面，借助于門尼粘度可以實(shí)現(xiàn)有效的分析研究，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，JS-3 在加工性能方面相對良好，最小的數(shù)值為JS-2。此種方式可以對橡膠的加工性能做出有效的改善，并且在石墨烯的加入之后，在添加量較高的情況下，對于石墨烯的分散性會(huì)起到減少作用，但是會(huì)增加其對應(yīng)的門尼粘度。在膠料的硫化性能方面，其誘導(dǎo)期間本身的加工安全性和其屬于正比關(guān)系，膠料當(dāng)中的交聯(lián)程度可以利用MH-ML 來進(jìn)行反映，以此來提高石墨烯的交聯(lián)程度。

其次,對于其進(jìn)行物理性能來進(jìn)行分析,需要對硫化膠本身的多方面性能來做出有效的分析，其中包含了密度、邵爾A 型硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、撕裂強(qiáng)度等多個(gè)方面的數(shù)值，撕裂強(qiáng)度為54kN·m-1，在JS-2 和JS-3 的對應(yīng)數(shù)值當(dāng)中，分別為1.13Mg·m-3、71 度、2.77MPa、13.2MPa、21.9MPa、422%、57kN·m-1 和1.13Mg·m-3、70 度、3.25MPa、15.7MPa、23.8MPa、401%、53kN·m-1。從數(shù)值當(dāng)中可以得出分析結(jié)果，對于橡膠的硬度來說，進(jìn)行石墨烯的添加會(huì)產(chǎn)生一定的作用，直接影響定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度，呈現(xiàn)出反比的關(guān)系，添加量越少，拉伸應(yīng)力和強(qiáng)度越高，反之則越低。

另外，在動(dòng)態(tài)性能的分析當(dāng)中，其磨耗程度當(dāng)中，0.5 份的石墨烯添加到JS-1 當(dāng)中，其耐磨性會(huì)降低，和其他的耐磨性沒有明顯的差異。對于抗切割的實(shí)驗(yàn)來說，同樣對其進(jìn)行加入0.5 分的石墨烯，可以提升其抗切割性能，其他兩個(gè)類別的石墨烯添加量在相對較少的情況下，其抗切割性能相對較低，充分說明了其石墨烯的添加量和橡膠本身的切割性能呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，如表1 所示。

表1 硫化膠的動(dòng)態(tài)性能表

對于石墨烯的分散性方面，從上表當(dāng)中可以看出其JS-1、JS-2 以及JS-3 中石墨烯的分散等級分別為5,5,7，其中第三種的石墨烯分散性相對較好。對于膠料當(dāng)中的石墨烯原料的添加，可以對其中的橡膠特性進(jìn)行分析，反之如果對橡膠進(jìn)行石墨烯的添加，則對于其中的分散性會(huì)產(chǎn)生一定的下降作用效果。

結(jié)束語：綜上所述，石墨烯丁苯橡膠復(fù)合材料的性能研究的過程當(dāng)中，需要在對復(fù)合材料全面掌握的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)對硫化特性、物理性能、動(dòng)態(tài)性能與石墨烯分散性等多個(gè)方面的性能特點(diǎn)做出分析。在丁苯橡膠當(dāng)中添加石墨烯材料，可以對橡膠本身的抗撕裂力和耐磨力度進(jìn)行有效的提升，因此在工業(yè)行業(yè)生成當(dāng)中可以得到有效的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，最終實(shí)現(xiàn)橡膠制品本身質(zhì)量的全面提升。