丁苯橡膠/石墨烯復(fù)合材料的特性分析

丁雪晨

（河南輕工職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450000）

SBR/石墨烯復(fù)合材料具有優(yōu)越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐久性強(qiáng)，而石墨烯作為用于塑造材料優(yōu)勢(shì)性的主要物質(zhì)，通過(guò)研究不同石墨烯用量條件下復(fù)合材料的特性變化，可以為復(fù)合材料制作工藝的改善提供依據(jù)，促進(jìn)丁苯橡膠/石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)水平的發(fā)展。

1 研究目的

石墨烯屬于一種無(wú)機(jī)填料，這種填料相較于其他無(wú)機(jī)填料，具備更加優(yōu)越的物理性能與化學(xué)性能，因此，逐漸成為現(xiàn)階段的無(wú)機(jī)材料研究熱點(diǎn)。但在實(shí)際的石墨烯材料制作中，由于石墨烯原子為單層結(jié)構(gòu)，比表面積較高，很容易在相互作用中出現(xiàn)卷曲情況，形成了原子之間的團(tuán)聚問(wèn)題，導(dǎo)致其加工性能差，不能被正常應(yīng)用。為此，人們研發(fā)出了丁苯橡膠/石墨烯復(fù)合材料，并通過(guò)加入丁苯橡膠來(lái)消除石墨烯原子團(tuán)聚的問(wèn)題，以充分發(fā)揮石墨烯優(yōu)越的物理、化學(xué)性能，但因?yàn)樗茉煸搹?fù)合材料主要應(yīng)用的物質(zhì)為石墨烯，所以石墨烯的用量會(huì)直接影響復(fù)合材料的性能?；诖耍竟ぷ鲾M通過(guò)分析不同石墨烯用量下，復(fù)合材料的特性情況，得出復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)性能的塑造規(guī)律，希望能夠?yàn)橄鹉z丁苯/石墨烯復(fù)合材料制作工藝的改進(jìn)提供依據(jù)。

2 研究過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分析丁苯橡膠/石墨烯復(fù)合材料的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)不同石墨烯用量條件下，復(fù)合材料特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，首先，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)配方。在此過(guò)程中，按照常規(guī)的復(fù)合材料配方，設(shè)置了基礎(chǔ)材料配方，然后又分別設(shè)計(jì)三種石墨烯用量。其中，基礎(chǔ)配方為炭黑、硬脂酸、促進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)。在此過(guò)程中，石墨烯的實(shí)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(fù)合材料的制作工藝。具體來(lái)說(shuō)，此次制作工藝為兩段混煉工藝，其操作過(guò)程分為兩個(gè)部分，即借助密煉機(jī)的第一段混煉，以及使用開(kāi)煉機(jī)的第二次混煉。在第一次混煉中，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)置為80r/min，將初始混煉溫度設(shè)置為80℃，并先將SBR放入密煉機(jī)內(nèi)，0.5min后，再放入母粒、硬脂酸、氧化鋅，待2.5min后，繼續(xù)放入炭黑，此后當(dāng)密煉機(jī)運(yùn)行3min時(shí)，進(jìn)行清掃排膠操作。然后開(kāi)始第二次混煉，并將取出的混煉膠從密煉機(jī)內(nèi)取出，放入開(kāi)煉機(jī)中加以煉制，再冷卻、加入促進(jìn)劑TBBS、硫黃，待6次薄通后，即可下片完成材料制作。最后，用專(zhuān)門(mén)的性能檢測(cè)儀器對(duì)復(fù)合材料的特性加以測(cè)定分析，完成此次實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

待實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完畢后，據(jù)已經(jīng)得出的實(shí)驗(yàn)方案準(zhǔn)備相應(yīng)的材料、設(shè)備，為后續(xù)各個(gè)分析環(huán)節(jié)的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備中，要按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)配方，結(jié)合復(fù)合材料制作對(duì)材料的要求，進(jìn)行材料準(zhǔn)備，以保證材料質(zhì)量、性能正常。在此過(guò)程中，所準(zhǔn)備的SBR選用了中國(guó)石化公司的產(chǎn)品，以保證材料質(zhì)量，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，同時(shí)，石墨烯材料、炭黑也是正規(guī)、資質(zhì)齊全公司的產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室中用濕法分別制備了三種對(duì)應(yīng)的SBR/石墨烯母粒，完成了材料準(zhǔn)備。在儀器設(shè)備準(zhǔn)備中，結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，此次實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備主要為，密煉機(jī)、開(kāi)煉機(jī)，以及特性測(cè)試儀器設(shè)備。其中，密煉機(jī)選用了由日本神戶(hù)制鋼公司生產(chǎn)的BB2型設(shè)備，其翻轉(zhuǎn)電機(jī)功率0.75kW、翻轉(zhuǎn)角度140°、壓縮空氣量≥0.3、冷卻水工作壓力0.2～0.4MPa，開(kāi)煉機(jī)選用了XK-160型號(hào)設(shè)備。在特性測(cè)試儀器設(shè)備的選用上，選用了R100S型號(hào)的硫化儀，結(jié)合MV200型的門(mén)尼黏度計(jì)為硫化特性的測(cè)試儀器，其中，硫化儀為實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)用精密測(cè)試儀器，其工作臺(tái)尺寸為320mm*230mm、沖切行程為25mm、重量50kg，同時(shí)選用了T10型拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)作為物理特性的測(cè)試儀器，并使用了Y-25型壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)作為動(dòng)態(tài)特性測(cè)試儀器。針對(duì)分散性，研究者則依靠硫化、動(dòng)態(tài)特性測(cè)試結(jié)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(wú)須額外準(zhǔn)備儀器設(shè)備。

2.3 硫化特性分析

待實(shí)驗(yàn)完畢后，根據(jù)所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)三種石墨烯用量條件下，復(fù)合材料的硫化、物理、動(dòng)態(tài)、分散這四個(gè)特性進(jìn)行分析，以得出石墨烯用量變化為復(fù)合材料所帶來(lái)的影響。其中，在硫化特性分析中，該特性能夠直接反映出復(fù)合材料的加工性能。一般來(lái)說(shuō)，門(mén)尼黏度計(jì)得出的數(shù)據(jù)能夠反映出復(fù)合材料加工操作的難易度，而硫化儀數(shù)據(jù)則可以呈現(xiàn)出復(fù)合材料加工的安全性。在此次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)石墨烯用量為0.5、0.25、0.125份的情況下，門(mén)尼黏度數(shù)據(jù)分別為，87、87、83，而門(mén)尼黏度值越小說(shuō)明復(fù)合材料加工性能越好，但0.5、0.25份用量條件下，復(fù)合材料的門(mén)尼黏度值一致，由此可見(jiàn)，當(dāng)石墨烯用量達(dá)到一定水平后，復(fù)合材料的加工操作難度將不再增加。從硫化儀數(shù)據(jù)上來(lái)看，當(dāng)石墨烯用量分別為0.5、0.25、0.125份時(shí)，硫化誘導(dǎo)期值分別為33.39min、31.19min、27.29min，其中，硫化誘導(dǎo)期即為焦燒時(shí)間，而硫化誘導(dǎo)期越長(zhǎng)，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(huì)影響復(fù)合材料的加工安全性，但硫化誘導(dǎo)期長(zhǎng)度又與加工效率直接相關(guān)，當(dāng)誘導(dǎo)期過(guò)長(zhǎng)時(shí)，加工效率就會(huì)降低，由此可知，在復(fù)合材料的硫化特性方面，當(dāng)石墨烯達(dá)到一定用量后，其用量越大，門(mén)尼黏度值越大，同時(shí)，硫化誘導(dǎo)期越短。

2.4 物理特性分析

在物理特性分析中，復(fù)合材料經(jīng)過(guò)T10型拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)，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(fù)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(yīng)力分別為11.8MPa、13.2MPa、15.7MPa，100% 定伸應(yīng)力分別為2.71MPa、2.77MPa、3.25MPa，拉伸強(qiáng)度分別為，21.6MPa、21.8MPa、23.7MPa，撕裂強(qiáng)度分別為53kN/m、56kN/m、52kN/m，拉斷伸長(zhǎng)率為467%、421%、400%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出，在復(fù)合材料物理特性方面，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，并沒(méi)有讓材料的硬度出現(xiàn)明顯的變化，而在石墨烯用量為0.125份時(shí)，定伸應(yīng)力與拉伸強(qiáng)度則明顯上升，但0.5、0.25份石墨烯用量時(shí)，復(fù)合材料的定伸應(yīng)力與拉伸強(qiáng)度并不存在明顯差異。此外，在撕裂強(qiáng)度方面，根據(jù)現(xiàn)行的膠料性能?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)，三種石墨烯用量情況下，復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度，并沒(méi)有超出合理范圍，而且也沒(méi)有為材料的撕裂強(qiáng)度性能帶來(lái)過(guò)大變化，因此，若添加量在0.5份以?xún)?nèi)，那么復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度物理性能則不受明顯影響?；诖?，在物理性能方面，當(dāng)石墨烯用量達(dá)到0.125份以上后，定伸應(yīng)力與拉伸強(qiáng)度這兩項(xiàng)性能水平會(huì)降低，但繼續(xù)增加用量，性能水平則無(wú)明顯下降，同時(shí)，石墨烯用量的變化對(duì)撕裂強(qiáng)度、硬度也不存在顯著影響。

2.5 動(dòng)態(tài)特性分析

在動(dòng)態(tài)特性分析中，使用Y-25型壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞溫升、永久形變、終動(dòng)壓縮率這幾個(gè)動(dòng)態(tài)特性項(xiàng)目進(jìn)行分析。在操作中，將溫度設(shè)定為了55℃壓縮負(fù)荷設(shè)置為1MPa沖程值設(shè)置為4.45mm實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為400r/min、實(shí)驗(yàn)時(shí)間為0.5h。結(jié)果顯示，在由多到少的三種石墨烯用量條件下，終動(dòng)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(jiàn)，在動(dòng)態(tài)特性方面，石墨烯用量的增加會(huì)使復(fù)合材料的疲勞溫升提高，同時(shí)，永久形變、終動(dòng)壓縮率也會(huì)提升[1]。

2.6 分散特性分析

在分散特性分析上，從硫化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)看，門(mén)尼黏度值隨著石墨烯用量的增加而提高，主要是因?yàn)槭┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大加劇了其團(tuán)聚效應(yīng)，使其分散度下降，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)得出的MH-ML值的變化上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(lián)程度，該交聯(lián)度是指石墨烯原子與SBR的交聯(lián)密度，也就是說(shuō)，交聯(lián)度越大復(fù)合材料中的石墨烯分散性能就越強(qiáng)。從數(shù)據(jù)可以看出，石墨烯用量減少，會(huì)使石墨烯分散性增強(qiáng)，因此，在復(fù)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(qiáng)。此外，上述特性也在動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)上存在明顯的體現(xiàn)。在此過(guò)程中，由于石墨烯的團(tuán)聚現(xiàn)象會(huì)促進(jìn)復(fù)合材料生熱，因此，隨著石墨烯用量的增加，復(fù)合材料的疲勞溫升也越高，充分呈現(xiàn)出了石墨烯用量越少、分散性越好的復(fù)合材料中石墨烯分散特性[2]。

3 結(jié)果分析

加入少量的石墨烯能夠優(yōu)化復(fù)合材料的加工性能以及物理性能，而適當(dāng)增加石墨烯則可以延長(zhǎng)焦燒時(shí)間，提高材料加工的安全性。此外，石墨烯的分散性越強(qiáng)，其復(fù)合材料的疲勞溫升就越低，而疲勞溫升低說(shuō)明了材料的耐久性?xún)?yōu)越，同時(shí)，少量添加石墨烯可以保證其在復(fù)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(yōu)化復(fù)合材料的耐久性[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

合理控制石墨烯的添加量，能夠提升丁苯橡膠/石墨烯復(fù)合材料的使用性能。研究發(fā)現(xiàn)，減少石墨烯的添加量，能夠優(yōu)化材料的加工性能，而增大石墨烯的添加量則會(huì)優(yōu)化材料的硫化性能，同時(shí)，所添加石墨烯的分散性能關(guān)系著材料的耐久性，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求控制石墨烯添加量。