新型納米碳材SG6 在耐熱輸送帶覆蓋膠中的應用研究

公維穎 ，謝家振 ，鄧濤

(1.青島科技大學高分子科學與工程學院，山東 青島 266042 ；2.南方石墨研究院（湖南）有限公司，湖南 長沙 410000)

三元乙丙橡膠（EPDM）是乙烯、丙烯及再加有少量的非共軛二烯烴作為硫化點的三元無規共聚物。根據配用的第三單體的種類不同，可以將EPDM 分為三類[1]。如：配用亞乙基降冰片烯（ENB）生產的E 型EPDM ；配用雙環戊二烯（DCPD）生產的D 型EPDM ；配用1,4- 己二烯（HD）生產的H 型EPDM。目前，我國生產的以亞乙基降冰片烯和雙環戊二烯為第三單體的三元乙丙橡膠較為普遍。三元乙丙橡膠主鏈飽和，不飽和在側基上，具有優異的耐熱老化、耐熱氧老化、耐臭氧老化性能，但由于其特定的分子結構特點，卻存在著黏合性能差、不耐油、硫化速度慢等缺點[2]。

橡膠的補強填充劑按結構可分為：一維填料，包括碳納米管，埃洛石納米管以及纖維素晶須等；二維填料，包括石墨烯，氧化石墨烯以及有機改性蒙脫土等；三維填料，包括炭黑，白炭黑以及炭黑— 白炭黑雙相填料等[3]。

新型納米碳材SG6 是依據化學熱力學的原理，通過材料自身的電效應、缺陷效應以及層間范得華力的特性，在一定溫度的水環境中，通過對石墨進行晶體層的剝離，切斷材料的平面鍵合力。這種方式可使SG6 以較低的功耗進行大量生產。SG6 的空間結構中，每個碳原子的周邊連結著另外三個碳原子，排列方式多呈蜂巢式的多個六邊形。同時顆粒有納米碳片多層堆疊而成，是明顯的二維片層狀結構。

1 實驗部分

1.1 原材料

EPDM 4640，美國杜邦；EPDM 2650；德國朗盛；SG6，南方石墨研究院；N660，卡博特公司；其他配合劑均為常用工業品。

1.2 實驗儀器設備

開煉機，X（S）K-160，上海雙翼橡塑機械有限公司；密煉機，XSM-1/20-80，上海科創橡塑機械設備有限公司；平板硫化機，LCM-3C2-G03-LM，深圳佳鑫電子設備科技有限公司；GT-7017-M 型老化箱，臺灣高鐵有限公司；無轉子硫化儀，M-3000A，臺灣高鐵有限公司；電子拉力機，JDL-2500N，天發試驗機械有限公司；硬度計，上海險峰電影機械廠；導熱系數測試儀，DRL-III，湘潭湘科有限公司；體積表面電阻率測定儀，ZST-121 型，北京中航時代有限公司。

1.3 實驗配方

N660 和SG6 用量變化實驗配方，詳見表1。

表1 N660 和SG6 用量變化實驗配方

配方其他成分（份）：EPDM 4640 50 ；EPDM 2650 50 ；N220 30 ；N330 20 ；聚異丁烯 10 ；石蠟油2280 10 ；氧化鋅 5 ；輕質氧化鎂 3 ；萜烯樹脂10 ；硫化體系 4.8 ；防老劑4020 2 ；防老劑MB 1 ；總計220.8。

1.4 試樣制備

按照試驗配方，用電子天平準確稱量各物料。向密煉機中先投入塑煉過的EPDM 生膠，其次投入小料和增黏劑，最后分3 次加入炭黑N660 或新型納米碳材SG6，密煉10 min。

將密煉機中取出的母煉膠，將兩種母煉膠按比例配合，投入開煉機中補充加工。期間加入硫化體系，左右割刀數次，打5 次三角包使其混合均勻，打卷3 次，隨后調大開煉機輥距，下片。

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用無轉子硫化儀在160 ℃下測試膠料的硫化特性，使用平板硫化機按t90進行硫化。

1.5 分析測試

硫化特性：按GB/T 16584—1996，采用無轉子硫化儀進行測試，測試溫度為160 ℃，轉動角度均為±1° ；

力學性能：拉伸性能采用電子拉力試驗機按照GB/T 528—2008 進行測試，拉伸速度為500 mm/min，測試溫度為室溫；

邵爾A 硬度：按照GB/T 531.1—2008 進行測試；

門尼黏度：按照GB/T 1232—2008 進行測試；

動態力學性能：采用高鐵科技公司生產的RPA 2000 型橡膠加工分析儀，頻率1.7 Hz，轉動角度±0.5° ；

硫化膠導熱性能：按GB/T8722—2008 測試；

硫化膠表面電阻：按GB/T 40719—2021 測試。

2 結果與討論

2.1 硫化特性及門尼黏度

混煉膠的硫化性能及門尼黏度如表2 所示。從表2 的硫化數據可知，隨著配方中N660 炭黑用量的減少，SG6 用量的增加，混煉膠的最低扭矩ML略微減小，同時在100 ℃下，對混煉膠采用大轉子測量其門尼黏度，數值從69.24 逐漸降低到64.43，變化規律與硫化特性數據中ML的相對應，表明SG6 的加入可以改善膠料的流動性，增加膠料的可塑度。混煉膠的最高扭矩MH以及扭矩差值MH-ML也表現出略有降低的變化規律。

表2 硫化特性及混煉膠門尼黏度

同時我們還可以觀察到，隨著配方中SG6 用量的增加，焦燒時間t10以及工藝硫化時間t90在一定范圍內波動，但整體變化不大，表明SG6 的加入對于硫化不會產生較大的影響。

2.2 物理機械性能

考察了SG6/N660 并用比對硫化膠物理機械性能的影響，見表3。

表3 SG6/N660 并用比對硫化膠物理機械性能的影響

對數據分析可知，隨著配方中SG6 用量的增加，硫化膠硬度略有降低，拉斷伸長率增大，拉斷永久變形增大，拉伸強度略有改善，但當SG6 用量增大到24 份時，硫化膠的拉伸強度下降明顯。

由于SG6 是二維片層狀結構的納米碳材，在混煉過程中橡膠分子鏈會進入SG6 的片層狀結構中，形成穩定的橡膠— 填料相互作用，更有利于應力的傳遞。當對材料施加載荷的過程中，填料和橡膠基體之間都發生著應力和應變的傳遞。聚合物— 填料之間新的相互作用會因外加載荷破壞聚合物— 填料之間原有的相互作用而發生演變。在外加載荷的作用下，SG6 發生層間滑移，形成新的聚合物— 填料之間的相互作用，改善材料的拉斷伸長率[4]。由于SG6 二維的片層狀結構，使得SG6 表面積增大，這可使SG6 與橡膠分子鏈發生更多的聚合物— 填料相互作用，以此改善硫化膠的拉伸強度以及各級定伸應力，但當SG6 的用量增加到24 份時，片層結構的不易分散導致較多的SG6發生團聚，在硫化膠基體中充當應力集中區域，從而阻礙了應力傳遞并最終導致拉伸強度的明顯下降。

2.3 硫化膠DlN 磨耗性能

考察了SG6/N660 并用比對硫化膠DIN 磨耗性能的影響如圖1 所示。

圖1 SG6/N660 并用比對硫化膠DIN 磨耗性能的影響

由圖1 可知，由于隨著配方中片層狀結構、表面活性基團較少、結構度較低的SG6 用量的增加，N660 用量的減少，硫化膠的DIN 磨耗體積有所增大，為平衡磨耗性能與力學性能，應進一步調整配方加以改善。

2.4 硫化膠動態力學性能

損耗因子（tanδ），它描述了材料在動態變形條件下的力學損耗行為，即黏彈性材料在交變力場作用下應力與應變周期相位差角的正切，也等于該材料的損耗模量與儲能模量之比。同時tanδ 也是衡量橡膠制品動態生熱的重要指標，也是評價耐熱輸送帶覆蓋膠使用效果的重要參數之一。

對硫化膠進行動態力學性能測試，考察了SG6/N660 并用比對硫化膠動態力學性能的影響如圖2、3所示。

圖2 SG6/N660 并用比對硫化膠儲能模量性能的影響

由圖2 可知，在60 ℃下以及在160 ℃下，隨著配方中SG6 用量的增加，N660 用量的減少，硫化膠的儲能模量降低，這表明盡管SG6 由于較大的比表面積可以與橡膠分子鏈形成更多的聚合物— 填料相互作用，但與N660 相比，這種聚合物— 填料的相互作用較小。同時我們可以觀察到，在160 ℃下，硫化膠的儲能模量明顯低于相同配方在60 ℃下的儲能模量。由圖3 可知，在60 ℃下以及在160 ℃下，隨著SG6 填充量增大，硫化膠的tanδ下降明顯，這表明隨著SG6填充量的增加可以改善材料在動態條件下使用時的生熱問題，降低輸送帶制品在使用過程中的生熱量。

圖3 SG6/N660 并用比對硫化膠損耗因子性能的影響

2.5 硫化膠導熱、導電性能

由于輸送帶在動態條件下使用，因自身的反復屈撓以及與輸送物品之間的摩擦會產生大量的熱。熱量不能及時排出，會導致輸送帶自身溫度過高，影響輸送帶的性能，同時也會加快產品的老化歷程，影響產品的質量。同時由于與輸送物品之間的摩擦，輸送帶覆蓋膠表面會帶有一定量的靜電，對輸送帶的使用存在一定的隱患。

由于SG6 是納米級的新型石墨材料，并且其結構具有明顯的二維多層片層結構，易發生材料排列的“ 逾滲” 效應，故其具有較好的導熱和導電特性。對硫化膠進行導熱性能及表面電阻測試，考察SG6/N660 并用比對硫化膠導熱及導電性能的影響，如圖4、表4所示。

圖4 SG6/N660 并用比對硫化膠導熱性能的影響

表4 SG6/N660 并用比對硫化膠導電性能的影響

根據圖4 可知，隨著SG6 用量的增加，在60 ℃下硫化膠的導熱系數逐漸增大。結合圖3 中材料的動態生熱降低的現象，表明SG6 的替代，使得材料的熱傳導性能得到改善，動態生熱量降低，降低材料在動態使用條件下的熱積累，延長了輸送帶制品的使用壽命。

如表4 可知，隨著SG6 用量的增加，硫化膠的表面電阻值逐漸降低，其中全部使用SG6 的5#試樣，其表面電阻值為5.3×107Ω，具有一定的導靜電效果，可有效改善耐熱輸送帶在使用過程中吸附的灰塵、油污，同時也可有效減少耐熱輸送帶在使用過程中出現的放電或火花放電，保障安全，抑制橡膠的老化行為，提高輸送帶制品的使用壽命。

3 結論

在耐熱輸送帶覆蓋膠制品中，通過采用新型納米碳材SG6 對配方中N660 炭黑進行逐量替代，隨著SG6 替代量的增大。

（1）混煉膠扭矩差值略有降低，t10以及t90基本保持不變，門尼黏度略微減小。

（2）硫化膠硬度降低，拉伸強度，拉斷伸長率以及定伸應力有所改善，但當SG6 全替代時，拉伸強度下降明顯。

（3）硫化膠耐磨性能下降，但動態生熱性能，導熱性能以及導電性能改善明顯。

新型納米碳材SG6 在以EPDM 為材料的耐熱輸送帶覆蓋膠的應用中具有廣泛的前景。