新型納米碳材（SG3-G）對(duì)SBR/POE硫化膠力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能影響

遲迎訓(xùn)，李廣元

(蓬萊市臨閣橡塑制品有限公司，山東 煙臺(tái))

丁苯橡膠（SBR），又稱聚苯乙烯丁二烯共聚物。其物理機(jī)械性能、耐磨、耐熱、耐老化、加工性能優(yōu)異，是最大的通用合成橡膠品種；乙烯-辛烯共聚物（POE）是陶氏化學(xué)生產(chǎn)的無(wú)雙鍵的飽和烯烴彈性體，其有較好的耐老化性能；研究考察一定共混比SBR/POE共混硫化膠物理機(jī)械性能，以便進(jìn)一步使其應(yīng)用。

新型納米碳材具有石墨為完整的六方晶系，多種優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于能源、汽車、電子、醫(yī)療、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。其片層之間以弱的范德華力結(jié)合，層距約為0.34 nm。橡膠分子鏈難以進(jìn)入石墨片層進(jìn)行良好的結(jié)合，石墨與石墨之間反而容易形成團(tuán)聚，使得其在橡膠基體中分散不均勻，同時(shí)，石墨表面表現(xiàn)為化學(xué)惰性，難以與橡膠界面形成良好的化學(xué)結(jié)合，最終導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)性能不佳。將石墨片層進(jìn)行剝離成為多層石墨烯結(jié)構(gòu)的新型類石墨烯材料，使其在橡膠基體中有效分散，增大與橡膠基體的接觸面積，達(dá)到更好的結(jié)合效果，可以有效的增加補(bǔ)強(qiáng)效果。

實(shí)驗(yàn)采用的新型類納米碳材料SG3-G是依據(jù)化學(xué)熱力學(xué)原理，在一定溫度的水環(huán)境下，利用材料的電效應(yīng)、缺陷結(jié)構(gòu)、層間范德華力特性解離剝離晶體層，切斷材料平面鍵合力，并且能夠以較低的能耗進(jìn)行大量制備。同時(shí)采用液相一步法包覆技術(shù)，科學(xué)解決納米類材料的團(tuán)聚和在橡 膠中的分散關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在橡膠中的應(yīng)用。

本文通過(guò)以不同的比例替代配方中炭黑N660，作為填充補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)用于硫化膠中，考察其硫化特性，力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能，探究SG3-G在SBR/POE共混膠體系中替代N660的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

SBR1502，中石化齊魯石化公司；POE8150，美國(guó)陶氏化學(xué)；SG3-G，粒徑1～10 um，中國(guó)建材-南方石墨研究院；炭黑N330、N660，卡博特公司；ZnO；SA等其他原材料均為市售。

1.2 主要儀器與設(shè)備

開(kāi)放式煉膠機(jī)，X(S)K-160，上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司；橡塑試驗(yàn)密煉機(jī)，XSM-500，上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，GTM2000-A，臺(tái)灣高鐵有限公司；平板硫化機(jī)，HS 1007-RTMO，深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司；電子拉力機(jī)，I-7000S，臺(tái)灣高鐵有限公司 ；老化實(shí)驗(yàn)箱，GT-7017-M，臺(tái)灣高鐵有限公司；導(dǎo)熱系數(shù)儀DTC-300，美國(guó)TA公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

基本配方(單位：份)：SBR1502 70，POE8150 30，硫化體系 5.3，氧化鋅10，硬脂酸3，微晶蠟3，古馬隆8，芳烴油6，N330 40，防老劑RD 2，防老劑4020 1，防老劑MB 1，N660和SG3為變量，具體用量如表1所示。

表1 N660和SG3用量變化實(shí)驗(yàn)配方 份

1.4 試樣制備

在密煉機(jī)內(nèi)按配方比例分別制備含有N660和SG3-G的母膠，母膠中不添加硫黃和促進(jìn)劑，再按表1中的比例取兩種母膠進(jìn)行共混，在開(kāi)煉機(jī)上加入硫黃和促進(jìn)劑，混煉均勻后薄通下片，制成質(zhì)量相同的5個(gè)試樣。

膠片停放16 h后，通過(guò)無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀在150 ℃測(cè)定試樣的硫化曲線。

在平板硫化機(jī)上150 ℃×t90硫化試樣。

1.5 性能測(cè)試

硫化性能：按GB/T 16584—2008測(cè)試。

拉伸性能：采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 528—2008進(jìn)行測(cè)試，拉伸速度為500 mm/min，測(cè)試溫度為室溫；邵爾A硬度按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行測(cè)試。

門尼黏度：按照GB/T 1232—2008進(jìn)行測(cè)試。

導(dǎo)熱性能測(cè)試：導(dǎo)熱系數(shù)儀DTC-300，測(cè)試溫度60 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 N660/SG3并用量對(duì)膠料門尼黏度、硫化特性的影響

表2為納米碳材用量對(duì)混煉膠門尼黏度、硫化特性等工藝性能的影響。

表2 不同用量SG3-G對(duì)膠料門尼黏度、硫化特性的影響

由表2可以看出，納米碳材用量對(duì)膠料的硫化特性有著一定的影響，由圖1，SG3-G的SEM圖可看出其平均粒徑較大，比表面積較小，結(jié)構(gòu)度較小，二維片層結(jié)構(gòu)使其在膠料中不易分散，使得填料與橡膠的物理吸附不足，物理交聯(lián)程度低，故隨著SG3-G替代量的增大，硫化儀扭矩差MH-ML略微降低，門尼黏度基本不變；此外，焦燒時(shí)間t10略有增大的趨勢(shì)，t90基本不變。

圖1 新型納米碳材料聚集體SEM結(jié)構(gòu)與形貌

2.2 SG3替代量對(duì)SBR/POE硫化膠的力學(xué)性能的影響

補(bǔ)強(qiáng)體系對(duì)硫化膠的力學(xué)性能影響較大，通過(guò)考察SG3-G對(duì)N660的替代量，研究SG3與N660補(bǔ)強(qiáng)效果的差異。表3為SG3-G用量對(duì)SBR/POE硫化膠力學(xué)性能的影響。

表3 SG3-G用量對(duì)硫化膠力學(xué)性能的影響

由圖2可以看出，隨著SG3-G用量的增大，膠料的硬度無(wú)明顯變化，說(shuō)明對(duì)于等份數(shù)的SG3-G與N660來(lái)說(shuō)，SG3-G對(duì)于膠料的硬度貢獻(xiàn)值和炭黑幾乎一致。由圖3，隨著SG3-G替代量的增加，膠料的扯斷伸長(zhǎng)率先減小，再有所增加；膠料的拉斷強(qiáng)度有所減小。如圖5，硫化膠的50%、100%、200%、300%定伸應(yīng)力基本不變，較大應(yīng)變的500%定伸應(yīng)力有所降低，而SG3-G替代N660份數(shù)為5份和10份之間各項(xiàng)性能差別不大。除此之外，由圖4可知，隨著SG3-G用量的增加，膠料的扯斷永久變形率增加，膠料的彈性最差，而加入5份SG3-G時(shí)與原配方扯斷永久變形率變化不大，能夠保持良好的彈性，因此SG3-G代替N660 5～10份的膠料的力學(xué)性能均較佳。

圖2 SG3-G用量對(duì)硫化膠硬度的影響

圖3 SG3-G用量對(duì)硫化膠拉斷強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率的影響

圖4 SG3-G用量對(duì)硫化膠扯斷永久變形影響

圖5 SG3-G用量對(duì)硫化膠定伸應(yīng)力的影響

2.3 SG3替代量對(duì)SBR/POE硫化膠的導(dǎo)熱性能的影響

由于SG3-G的特殊片層結(jié)構(gòu)和組成，考察其替代量對(duì)硫化膠導(dǎo)熱性能的影響，分別研究不同N660替代量的硫化膠在60 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，得到硫化膠的傳熱性能的變化。不同SG3-G用量的硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)如表4。

表4 不同SG3-G替代量SBR/POE硫化膠在60 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)

如表4，隨SG3-G替代量的增加，硫化膠在60℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)有所增加，說(shuō)明硫化膠的導(dǎo)熱性能和熱傳導(dǎo)速度有所提高。

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究，在SBR/POE硫化膠中，隨新型納米碳材SG3-G替代炭黑N660用量的增加：

（1）混煉膠的門尼黏度基本保持不變。

（2）硫化膠的MH-ML略微降低，焦燒時(shí)間t10略有增大的趨勢(shì)，t90基本不變。

（3）硫化膠的扯斷強(qiáng)度有所下降，扯斷伸長(zhǎng)率變化不大，扯斷永久變形增大，硬度基本不變，較小應(yīng)變下，應(yīng)力變化不大，大應(yīng)變下，應(yīng)力下降。

（4）綜合評(píng)定，在該配方中，當(dāng)5～10份SG3-G替代N660時(shí)，該SBR/POE硫化膠力學(xué)性能性能較佳。

（5）硫化膠60 ℃的導(dǎo)熱增大，導(dǎo)熱性能提高。