丁苯橡胶/石墨烯复合材料的特性分析

2021-01-07丁雪晨

化工设计通讯 2021年4期

丁雪晨

（河南轻工职业学院，河南郑州 450000）

SBR/石墨烯复合材料具有优越的导电、导热性能，而且化学性质稳定，耐久性强，而石墨烯作为用于塑造材料优势性的主要物质，通过研究不同石墨烯用量条件下复合材料的特性变化，可以为复合材料制作工艺的改善提供依据，促进丁苯橡胶/石墨烯复合材料生产水平的发展。

1 研究目的

石墨烯属于一种无机填料，这种填料相较于其他无机填料，具备更加优越的物理性能与化学性能，因此，逐渐成为现阶段的无机材料研究热点。但在实际的石墨烯材料制作中，由于石墨烯原子为单层结构，比表面积较高，很容易在相互作用中出现卷曲情况，形成了原子之间的团聚问题，导致其加工性能差，不能被正常应用。为此，人们研发出了丁苯橡胶/石墨烯复合材料，并通过加入丁苯橡胶来消除石墨烯原子团聚的问题，以充分发挥石墨烯优越的物理、化学性能，但因为塑造该复合材料主要应用的物质为石墨烯，所以石墨烯的用量会直接影响复合材料的性能。基于此，本工作拟通过分析不同石墨烯用量下，复合材料的特性情况，得出复合材料优势性能的塑造规律，希望能够为橡胶丁苯/石墨烯复合材料制作工艺的改进提供依据。

2 研究过程

2.1 实验设计

分析丁苯橡胶/石墨烯复合材料的特性，设计了一个不同石墨烯用量条件下，复合材料特性的测试实验。在实验设计中，首先，设计了实验配方。在此过程中，按照常规的复合材料配方，设置了基础材料配方，然后又分别设计三种石墨烯用量。其中，基础配方为炭黑、硬脂酸、促进剂、石墨烯/SBR母粒等。三种石墨烯母粒的用量分别为，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为石墨烯的质量分数。在此过程中，石墨烯的实际用量为0.5、0.25、0.125份。其次，研究者确立了胶料混炼工艺作为复合材料的制作工艺。具体来说，此次制作工艺为两段混炼工艺，其操作过程分为两个部分，即借助密炼机的第一段混炼，以及使用开炼机的第二次混炼。在第一次混炼中，将转子转速参数设置为80r/min，将初始混炼温度设置为80℃，并先将SBR放入密炼机内，0.5min后，再放入母粒、硬脂酸、氧化锌，待2.5min后，继续放入炭黑，此后当密炼机运行3min时，进行清扫排胶操作。然后开始第二次混炼，并将取出的混炼胶从密炼机内取出，放入开炼机中加以炼制，再冷却、加入促进剂TBBS、硫黄，待6次薄通后，即可下片完成材料制作。最后，用专门的性能检测仪器对复合材料的特性加以测定分析，完成此次实验。

2.2 实验准备

待实验设计完毕后，据已经得出的实验方案准备相应的材料、设备，为后续各个分析环节的实施奠定基础。在实验材料准备中，要按照实验设计中的实验配方，结合复合材料制作对材料的要求，进行材料准备，以保证材料质量、性能正常。在此过程中，所准备的SBR选用了中国石化公司的产品，以保证材料质量，增强实验结果的可靠性，同时，石墨烯材料、炭黑也是正规、资质齐全公司的产品，然后按照上述三种的石墨烯含量，用石墨烯与SBR材料，在实验室中用湿法分别制备了三种对应的SBR/石墨烯母粒，完成了材料准备。在仪器设备准备中，结合上述实验设计，此次实验所需的仪器设备主要为，密炼机、开炼机，以及特性测试仪器设备。其中，密炼机选用了由日本神户制钢公司生产的BB2型设备，其翻转电机功率0.75kW、翻转角度140°、压缩空气量≥0.3、冷却水工作压力0.2～0.4MPa，开炼机选用了XK-160型号设备。在特性测试仪器设备的选用上，选用了R100S型号的硫化仪，结合MV200型的门尼黏度计为硫化特性的测试仪器，其中，硫化仪为实验室专用精密测试仪器，其工作台尺寸为320mm*230mm、冲切行程为25mm、重量50kg，同时选用了T10型拉力实验机作为物理特性的测试仪器，并使用了Y-25型压缩疲劳实验机作为动态特性测试仪器。针对分散性，研究者则依靠硫化、动态特性测试结果，直接得出了石墨烯的分散特性情况，因此，此部分特性分析无须额外准备仪器设备。

2.3 硫化特性分析

待实验完毕后，根据所得出的数据结果，对三种石墨烯用量条件下，复合材料的硫化、物理、动态、分散这四个特性进行分析，以得出石墨烯用量变化为复合材料所带来的影响。其中，在硫化特性分析中，该特性能够直接反映出复合材料的加工性能。一般来说，门尼黏度计得出的数据能够反映出复合材料加工操作的难易度，而硫化仪数据则可以呈现出复合材料加工的安全性。在此次实验中，当石墨烯用量为0.5、0.25、0.125份的情况下，门尼黏度数据分别为，87、87、83，而门尼黏度值越小说明复合材料加工性能越好，但0.5、0.25份用量条件下，复合材料的门尼黏度值一致，由此可见，当石墨烯用量达到一定水平后，复合材料的加工操作难度将不再增加。从硫化仪数据上来看，当石墨烯用量分别为0.5、0.25、0.125份时，硫化诱导期值分别为33.39min、31.19min、27.29min，其中，硫化诱导期即为焦烧时间，而硫化诱导期越长，那么材料的加工安全性能就越高，可以看出，石墨烯用量的减少，将会影响复合材料的加工安全性，但硫化诱导期长度又与加工效率直接相关，当诱导期过长时，加工效率就会降低，由此可知，在复合材料的硫化特性方面，当石墨烯达到一定用量后，其用量越大，门尼黏度值越大，同时，硫化诱导期越短。

2.4 物理特性分析

在物理特性分析中，复合材料经过T10型拉力实验机的实验，研究者得出了在石墨烯用量为0.5、0.25、0.125份的情况下，复合材料密度均为1.13Mg·m3，邵尔A型硬度分别为70度、71度、70度，300%定伸应力分别为11.8MPa、13.2MPa、15.7MPa，100% 定伸应力分别为2.71MPa、2.77MPa、3.25MPa，拉伸强度分别为，21.6MPa、21.8MPa、23.7MPa，撕裂强度分别为53kN/m、56kN/m、52kN/m，拉断伸长率为467%、421%、400%。根据上述数据可以看出，在复合材料物理特性方面，石墨烯质量分数的增加，并没有让材料的硬度出现明显的变化，而在石墨烯用量为0.125份时，定伸应力与拉伸强度则明显上升，但0.5、0.25份石墨烯用量时，复合材料的定伸应力与拉伸强度并不存在明显差异。此外，在撕裂强度方面，根据现行的胶料性能国家标准，三种石墨烯用量情况下，复合材料的撕裂强度，并没有超出合理范围，而且也没有为材料的撕裂强度性能带来过大变化，因此，若添加量在0.5份以内，那么复合材料的撕裂强度物理性能则不受明显影响。基于此，在物理性能方面，当石墨烯用量达到0.125份以上后，定伸应力与拉伸强度这两项性能水平会降低，但继续增加用量，性能水平则无明显下降，同时，石墨烯用量的变化对撕裂强度、硬度也不存在显著影响。

2.5 动态特性分析

在动态特性分析中，使用Y-25型压缩疲劳实验机对复合材料进行了压缩疲劳实验，以实现对疲劳温升、永久形变、终动压缩率这几个动态特性项目进行分析。在操作中，将温度设定为了55℃压缩负荷设置为1MPa冲程值设置为4.45mm实验转速为400r/min、实验时间为0.5h。结果显示，在由多到少的三种石墨烯用量条件下，终动压缩率分别为，10.6%、8.6%、7.7%，疲劳温升分别为47℃、44℃、38.3℃，永久变形分别为4.8%、3.8%、2.5%，由此可见，在动态特性方面，石墨烯用量的增加会使复合材料的疲劳温升提高，同时，永久形变、终动压缩率也会提升[1]。

2.6 分散特性分析

在分散特性分析上，从硫化实验内容来看，门尼黏度值随着石墨烯用量的增加而提高，主要是因为石墨烯质量分数的增大加剧了其团聚效应，使其分散度下降，导致黏度增加，而这种分散特性的变化也直接反映在了由硫化仪实验得出的MH-ML值的变化上，根据实验结果，在0.5、0.25、0.125份的石墨烯添加量条件下，MH-ML为13.83dN·m、15.95dN·m、18.49dN·m，其中MH-ML表示交联程度，该交联度是指石墨烯原子与SBR的交联密度，也就是说，交联度越大复合材料中的石墨烯分散性能就越强。从数据可以看出，石墨烯用量减少，会使石墨烯分散性增强，因此，在复合材料的石墨烯分散特性上，石墨烯用量越少，其分散特性就越强。此外，上述特性也在动态特性实验上存在明显的体现。在此过程中，由于石墨烯的团聚现象会促进复合材料生热，因此，随着石墨烯用量的增加，复合材料的疲劳温升也越高，充分呈现出了石墨烯用量越少、分散性越好的复合材料中石墨烯分散特性[2]。

3 结果分析

加入少量的石墨烯能够优化复合材料的加工性能以及物理性能，而适当增加石墨烯则可以延长焦烧时间，提高材料加工的安全性。此外，石墨烯的分散性越强，其复合材料的疲劳温升就越低，而疲劳温升低说明了材料的耐久性优越，同时，少量添加石墨烯可以保证其在复合材料中的良好分散性，因此，少量添加石墨烯，可以在一定程度上优化复合材料的耐久性[3]。