橡胶丁苯/石墨烯复合材料的特性分析

石墨烯由于具有良好的导热与导电性能在无机填料中的应用十分广泛，也是在当下应用十分良好的二维碳纳米材料。但是其在实际应用中，也会存在一些问题制约着该材料的功能发挥，比如填充不够均匀等，这就要求对石墨烯进行细致的分析与研究。而将石墨烯与其他材料制作成的复合材料，这样就能对复合材料的整体性能进行提升。本文通过对石墨烯/丁苯橡胶复合材料性能进行研究，希望为相关工作人员提供一些参考意见。

1. 石墨烯/丁苯橡胶复合材料概述

石墨烯/丁苯橡胶复合材料的研究现状。人类对天然橡胶的开发与利用的时间较长，早在100多年前人类就开始对天然橡胶进行研究。但是橡胶在使用中的弹性与强度较低，使用价值较低，因此人们为提升其强度与弹性，将其经过一定工序的加工才得以使用。炭黑是增加橡胶材料强度的有效材料，并在不断的发展中石墨烯逐渐步入人们的视野。

橡胶材料在人们的生产与生活中发挥着重要作用，并且由于其性能良好、价格较低，在我国各行各业中的应用都十分广泛。石墨烯/丁苯橡胶复合材料是一种新型材料，并且材料的应用较为环保，与我国的“绿色发展”战略相一致。石墨烯/丁苯橡胶复合材料主要是在石墨烯良好的导热、导电性能与物理性能下，该材料的整体性能也得以提升。同时石墨烯/丁苯橡胶复合材料在一些电子企业、环保企业中的应用十分广泛，并且在轮胎制造行业中发挥着十分有效的作用。

2. 实验

(1)实验材料

本文选择的实验材料为我国某公司生产的石墨烯，牌号为1500，同时还包括炭黑、湿法石墨烯/SBR母粒，石墨烯质量分数需要自行进行制作，并且将质量进而合理控制。

(2)设备和仪器

在该实验中选择的设备源自日本与我国，密炼机、开炼机、硫化仪、门尼粘度计、拉力试验机的型号分别为BB2、XK-160、Y-25、R100S、MV2000与T10。

(3)试验配方与混炼工艺

在本实验的配方中选择的丁苯橡胶(SBR)、炭黑N375、硬脂酸、石墨烯/SBR母粒分别为100、50、1、变量。在JS-1/2/3中将3份/2份/1份的石墨烯教学添加，质量分数分别为0.1718、0.1276、0.1263。

两段混炼为胶料混炼的主要工艺，在密炼机中进行一段混炼，将密炼机初始温度与转子转速分别控制在80℃与0r·min-[1]，在加料过程中要将顺序确定为SBR、石墨烯/SBR母粒、炭黑，最后要进行及时的清扫。在开炼机中进行二段混炼，将一段混炼胶放置在开炼机上进行终炼，在经过冷却之后将硫磺加入，在薄通6次后下片。

(4)性能测试

按国家标准及相关标准对胶料则性能进行测试。

3. 结果与讨论

(1)硫化特性

混炼胶的门尼粘度和硫化特性为：

门尼粘度[ML(1+4)100℃]则JS-1,2,3分别为87、87、83;

硫化仪数据(150℃)时ML/(d N·m)、MH/(d N·m)、MH-ML/(dN·m)、t10/min、t90/min的JS-1分别为9.34、23.17、13.83、104、33.38;JS-2分别为9.42、25.37、15.95、10.82、31.18;JS-3分别为9.06、27.55、18.49、11.18、27.28。

橡胶加工的性能等可以通过门尼粘度进行反映，在上述数据中可以看出，门尼粘度从低到大分别为：JS-3、JS-1、JS-2，这就说明JS-3的加工性能最好。这时为改善橡胶的加工性能，就要将石墨烯进行加入，当加入量较高时，石墨烯的分散性能就会减少，而门尼粘度就会增加。

胶料的硫化诱导期会对t10造成一定影响，也会反映橡胶的安全性能。胶料的硫化诱导期与橡胶的加工安全性成正比，通过对上述数据的分析，可以看出JS-3的加工性能最好。胶料的交联程度是通过MH-ML进行反映的，为提升石墨烯的交联程度可以将石墨烯进行适当加入，通过上述数据分析发现JS-3的交联度最高。

(2)物理性能

硫化胶的物理性能为：

JS-1的密度、邵尔A型硬度、100%定伸应力、300%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度分别为1.13Mg·m-[3]、70度、2.71MPa、11.8MPa、21.7MPa、468%、54k N·m-[1];JS-2的密度、邵尔A型硬度、100%定伸应力、300%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度分别为1.13Mg·m-[3]、71度、2.77MPa、13.2MPa、21.9MPa、422%、57kN·m-[1];JS-3的密度、邵尔A型硬度、100%定伸应力、300%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度分别为1.13Mg·m-[3]、70度、3.25MPa、15.7MPa、23.8MPa、401%、53kN·m-[1]。

通过对上述数据的分析，可以发现橡胶的硬度不会由石墨烯的添加量造成，定伸应力和拉伸强度与石墨烯的添加量有较大关系，当添加量较少时则说明定伸应力和拉伸强度越高，胶料撕裂强度则不会由石墨烯的添加量多少而产生。

(3)动态性能

硫化胶的动态性能如下表所示：

通过对上表的分析之后可以看出，磨耗显示JS-1的耐磨性在加入0.5份的石墨烯之后降低，并且JS-2与JS-3的耐磨性并无太大差异。在抗切割的实验中可以得出JS-1在加入0.5份的石墨烯之后，抗切割性较好，而JS-2和JS-3的石墨烯添加量较低，造成抗切割性较低，因此石墨烯的添加量与橡胶的抗切割性呈正比。

(4)石墨烯分散性

在JS-1中的石墨烯分散等级为5、JS-2中的石墨烯分散等级为5、JS-3中的石墨烯分散等级为7，这就说明在三种配方中分散性最好的为JS-3。在胶料中加入少量的石墨烯橡胶的分散性较为容易，而橡胶中的石墨烯在用量增加的过程中分散性也会下降。

4. 实验总结

第一，SBR胶料的加工性能的改善，可以通过添加少量湿法石墨烯/SBR母粒的方法进行。石墨烯用量与胶料的硫化时间成正比;

第二，SBR胶料的耐磨性能会受到石墨烯分散性的影响，石墨烯在胶料中的用量在0.125份以下时，分散性较好，并且也具有良好的耐磨性;

第三，胶料的抗切割性能与石墨烯的用量有直接关系，并且二者呈正比关系;

第四，SBR胶料的耐磨性能与抗切割性能等的提升，需要利用湿法石墨烯/SBR母粒添加的方法进行，对其性能的影响因素主要与石墨烯的添加量与分散性有关。

5. 结语

本文在对石墨烯/丁苯橡胶复合材料性能进行研究时，是通过实验的方法进行的。首先对石墨烯/丁苯橡胶复合材料进行了解与掌握，其次对实验中的实验测料、设备和仪器、试验配方与混炼工艺、性能测试等对石墨烯加入丁苯橡胶中的相关性能进行分析，最后在结果与讨论中硫化特性、物理性能、动态性能与石墨烯分散性等进行分析。在分析中发现石墨烯在丁苯橡胶中的添加，能有效提升橡胶的抗撕裂力、耐磨力等，进而在我国社会经济中发挥作用，促进相关行业的健康发展，提升橡胶制品的整体质量。

摘要：橡胶复合材料中所用的主要添加助剂为以湿法制备的石墨烯/丁苯橡胶母粒，通过对石墨烯/丁苯橡胶的性能进行分析，可以判断出其对丁苯橡胶的影响。通过分析发现，如果对石墨烯/丁苯橡胶的使用量较少，对丁苯橡胶具有一定的改善效果，并且在胶料性能的影响因素中墨烯的用量和分散发挥着很大作用。当将石墨烯的用量控制在0.125份以下时，在胶料中石墨烯具有良好的分散性，并且能提升胶料的耐磨性，如果对石墨烯的用量进行增加，胶料在使用过程中的抗切割性能也会不断增加。

关键词：石墨烯,丁苯橡胶,复合材料,耐磨性能,滚动阻力,抗切割性能

参考文献

[1] 赵菲,李瑛瑜,解佳楠,等.停放条件对石墨烯基轮胎胎面胶中填料分散及加工流变性的影响[J].弹性体,2018,v.28(6):30-34.

[2] 陈杨,张旭敏,薛晓东,等.离子液体改性氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料的热降解动力学[J].合成橡胶工业,2018,41(1):6-11.

[3] 沈梅,张波,辛振祥.白炭黑/纳米甲壳素/多层石墨烯对溶聚丁苯橡胶/顺丁橡胶并用胶性能的影响[J].合成橡胶工业,2017,40(6):462-466.

[4] 杨科,侯超,宋晓艳,等.新型高能量密度锂离子电池负极Li-(21)Si-5/石墨烯复合材料的合成与性能研究[J].无机材料学报,2018,33(10):33-37.