丁苯橡膠石墨烯復合材料的特性分析

張可新

（上海眾合檢測應用技術(shù)研究所有限公司，上海 200436）

在石墨烯材料當中，本身在導熱性能方面比較良好，因此被廣泛應用于無極填料當中，屬于現(xiàn)階段當下十分良好的二維納米材料。在對其進行實際應用的過程當中，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行細致的分析和研究。石墨烯在和其他材料進行混合制作而成的材料當中，可以實現(xiàn)對其復合材料整體性能的有效提升，因此需要利用對石墨烯/丁苯橡膠復合材料來做出性能特點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、石墨烯丁苯橡膠復合材料概述

早在100 多年前，石墨烯丁苯橡膠復合材料的雛形已經(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度方面相對良好，因此其使用價值相對較高，在使用的過程當中，需要進行強度和彈性的提升，以此來增加利用率。炭黑對于橡膠材料的強度可以實現(xiàn)有效增加，因此石墨烯材料逐漸被廣泛地應用于橡膠的強度增加方面。在人們生產(chǎn)和生活當中，橡膠材料扮演著重要的角色，其本身具備良好的性能，在價格方面具有優(yōu)勢，因此被我國的各個行業(yè)領(lǐng)域廣泛應用。石墨烯丁苯橡膠復合材料屬于一種全新的材料，在環(huán)保性能方面相對良好，其復合材料當中的石墨烯在導熱和導電性能方面相對良好。因此，此種材料被廣泛應用于電子企業(yè)和環(huán)保企業(yè)當中，尤其是在輪胎制造行業(yè)當中，效果顯著。石墨烯在塑料材料當中屬于具有優(yōu)勢特點的主要物質(zhì)，可以對復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合材料的生產(chǎn)制造水平可以起到有效地促進作用。

二、實驗研究

（一）實驗目標

石墨烯屬于一種無機填料，相比較其他填料來說，本身的無力性能和化學性能是相當優(yōu)越的，因此成了現(xiàn)階段無機材料的研究熱點話題。在實際的石墨烯材料制作過程當中，其石墨烯當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聚問題，因此導致了其本身加工性能較差的特點，在應用方面相對較差。根據(jù)此種特點，在石墨烯當中加入丁苯橡膠，來對其原子團聚的問題進行消除，最大限度地發(fā)揮其物理和化學性能。此種方式下的復合材料當中的主要物質(zhì)為石墨烯，因此在石墨烯的用量方面對于復合材料的性能會產(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合材料展現(xiàn)出的特性進行分析和研究，從而得出復合材料的塑造規(guī)律。

（二）研究過程

首先在實驗設(shè)計的部分當中，需要對丁苯橡膠石墨烯的復合材料特點進行分析，進行不同石墨烯用量情況下復合材料的特點測試實驗。對于實驗設(shè)計，在實驗配方的設(shè)計過程當中，根據(jù)其常規(guī)的復合材料，來進行基礎(chǔ)材料配方的設(shè)計，進行三種石墨烯用量的設(shè)計。在設(shè)計當中，基礎(chǔ)配方主要分為幾種類型，分別是炭黑、硬脂酸、促進劑、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。在這個過程當中，石墨烯的實際使用用量為0.5、0.25、0.125 份。其次，在膠料混煉工藝當中，可以實現(xiàn)復合材料的制作。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中，可以分為兩個部分來進行制造，其中第一段的混煉需要在密煉機的作用下實現(xiàn)，在開煉機的制造當中屬于第二次的混煉部分。在第一次的混煉當中，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，在密煉機當中放置SBR，保持0.5min 之后，將其母粒、硬脂酸、氧化鋅進行放入其中，等待2.5 分鐘之后，將炭黑放入其中，在密煉機當中運行三分鐘的時候，將排膠進行清掃制作。對于第二次的混煉，需要將取出的混煉膠從密煉機當中進行取出，并且放置到開煉機當中進行煉制之后，實現(xiàn)其冷卻和促進劑TBBS、硫黃的添加，此種操作需要等到6次薄通，就可以實現(xiàn)整個的材料制造。最后，在專門的性能檢測儀器基礎(chǔ)上實現(xiàn)對復合材料的性能測定分析，最終實現(xiàn)實驗的完成。

（三）實驗準備

在實驗設(shè)計完畢之后，需要根據(jù)得出的實驗方案來準備對應的材料和設(shè)備，以此來為后續(xù)的實驗分析環(huán)節(jié)做出基礎(chǔ)的奠定。對于實驗材料方面，根據(jù)實驗設(shè)計的實驗配方和復合材料對實驗材料的需求，來進行準備，以此來對材料的質(zhì)量和性能做出最保證。在這個過程當中，主要借助于SBR來實現(xiàn)對材料質(zhì)量的保證,對于實驗結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性也可以增強和提升，與此同時，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中的方式進行SBR/ 石墨烯母粒的制備，以此來完成實驗材料的準備。對于儀器設(shè)備的準備，需要結(jié)合實驗設(shè)計來進行準備，其中實驗所需要的設(shè)備為密煉機、開煉機和特性測試儀器。在密煉機的選擇方面，選擇BB2 型設(shè)備，其翻轉(zhuǎn)電機功率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)備來進行實驗，基于MV200 型的門尼黏度計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對特性的檢測。在硫化儀當中，為實驗室專用的精密儀器設(shè)備，需要應用到尺寸為320mm*230mm 的工作臺，25mm、重量50kg 的沖切行程，在拉力試驗機的選擇方面，需要利用T10 型的儀器進行測試，借助于Y-25 型壓縮疲勞實驗機來進行特性測試。對于其復合材料的分散性，需要借助于硫化性能和動態(tài)特性等多個方面的測試結(jié)果來實現(xiàn)對其石墨烯的分散特點做出有效全面的分析。由此可見，對于部分特性繼續(xù)分析的過程當中不需要準備額外的儀器設(shè)備。

（四）實驗結(jié)果討論

首先，對于其硫化特點進行分析，混煉膠本身內(nèi)部所含有的門尼粘度和硫化特點可以用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現(xiàn)有效的分析研究，從實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進行分析，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起到減少作用，但是會增加其對應的門尼粘度。在膠料的硫化性能方面，其誘導期間本身的加工安全性和其屬于正比關(guān)系，膠料當中的交聯(lián)程度可以利用MH-ML 來進行反映，以此來提高石墨烯的交聯(lián)程度。

其次,對于其進行物理性能來進行分析,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、定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度等多個方面的數(shù)值，撕裂強度為54kN·m-1，在JS-2 和JS-3 的對應數(shù)值當中，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)值當中可以得出分析結(jié)果，對于橡膠的硬度來說，進行石墨烯的添加會產(chǎn)生一定的作用，直接影響定伸應力和拉伸強度，呈現(xiàn)出反比的關(guān)系，添加量越少，拉伸應力和強度越高，反之則越低。

另外，在動態(tài)性能的分析當中，其磨耗程度當中，0.5 份的石墨烯添加到JS-1 當中，其耐磨性會降低，和其他的耐磨性沒有明顯的差異。對于抗切割的實驗來說，同樣對其進行加入0.5 分的石墨烯，可以提升其抗切割性能，其他兩個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 硫化膠的動態(tài)性能表

對于石墨烯的分散性方面，從上表當中可以看出其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。對于膠料當中的石墨烯原料的添加，可以對其中的橡膠特性進行分析，反之如果對橡膠進行石墨烯的添加，則對于其中的分散性會產(chǎn)生一定的下降作用效果。

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