丁雪晨
(河南輕工職業(yè)學院,河南鄭州 450000)
SBR/石墨烯復合材料具有優(yōu)越的導電、導熱性能,而且化學性質(zhì)穩(wěn)定,耐久性強,而石墨烯作為用于塑造材料優(yōu)勢性的主要物質(zhì),通過研究不同石墨烯用量條件下復合材料的特性變化,可以為復合材料制作工藝的改善提供依據(jù),促進丁苯橡膠/石墨烯復合材料生產(chǎn)水平的發(fā)展。
石墨烯屬于一種無機填料,這種填料相較于其他無機填料,具備更加優(yōu)越的物理性能與化學性能,因此,逐漸成為現(xiàn)階段的無機材料研究熱點。但在實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聚問題,導致其加工性能差,不能被正常應(yīng)用。為此,人們研發(fā)出了丁苯橡膠/石墨烯復合材料,并通過加入丁苯橡膠來消除石墨烯原子團聚的問題,以充分發(fā)揮石墨烯優(yōu)越的物理、化學性能,但因為塑造該復合材料主要應(yīng)用的物質(zhì)為石墨烯,所以石墨烯的用量會直接影響復合材料的性能。基于此,本工作擬通過分析不同石墨烯用量下,復合材料的特性情況,得出復合材料優(yōu)勢性能的塑造規(guī)律,希望能夠為橡膠丁苯/石墨烯復合材料制作工藝的改進提供依據(jù)。
分析丁苯橡膠/石墨烯復合材料的特性,設(shè)計了一個不同石墨烯用量條件下,復合材料特性的測試實驗。在實驗設(shè)計中,首先,設(shè)計了實驗配方。在此過程中,按照常規(guī)的復合材料配方,設(shè)置了基礎(chǔ)材料配方,然后又分別設(shè)計三種石墨烯用量。其中,基礎(chǔ)配方為炭黑、硬脂酸、促進劑、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)量分數(shù)。在此過程中,石墨烯的實際用量為0.5、0.25、0.125份。其次,研究者確立了膠料混煉工藝作為復合材料的制作工藝。具體來說,此次制作工藝為兩段混煉工藝,其操作過程分為兩個部分,即借助密煉機的第一段混煉,以及使用開煉機的第二次混煉。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,此后當密煉機運行3min時,進行清掃排膠操作。然后開始第二次混煉,并將取出的混煉膠從密煉機內(nèi)取出,放入開煉機中加以煉制,再冷卻、加入促進劑TBBS、硫黃,待6次薄通后,即可下片完成材料制作。最后,用專門的性能檢測儀器對復合材料的特性加以測定分析,完成此次實驗。
待實驗設(shè)計完畢后,據(jù)已經(jīng)得出的實驗方案準備相應(yīng)的材料、設(shè)備,為后續(xù)各個分析環(huán)節(jié)的實施奠定基礎(chǔ)。在實驗材料準備中,要按照實驗設(shè)計中的實驗配方,結(jié)合復合材料制作對材料的要求,進行材料準備,以保證材料質(zhì)量、性能正常。在此過程中,所準備的SBR選用了中國石化公司的產(chǎn)品,以保證材料質(zhì)量,增強實驗結(jié)果的可靠性,同時,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,在實驗室中用濕法分別制備了三種對應(yīng)的SBR/石墨烯母粒,完成了材料準備。在儀器設(shè)備準備中,結(jié)合上述實驗設(shè)計,此次實驗所需的儀器設(shè)備主要為,密煉機、開煉機,以及特性測試儀器設(shè)備。其中,密煉機選用了由日本神戶制鋼公司生產(chǎn)的BB2型設(shè)備,其翻轉(zhuǎn)電機功率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,開煉機選用了XK-160型號設(shè)備。在特性測試儀器設(shè)備的選用上,選用了R100S型號的硫化儀,結(jié)合MV200型的門尼黏度計為硫化特性的測試儀器,其中,硫化儀為實驗室專用精密測試儀器,其工作臺尺寸為320mm*230mm、沖切行程為25mm、重量50kg,同時選用了T10型拉力實驗機作為物理特性的測試儀器,并使用了Y-25型壓縮疲勞實驗機作為動態(tài)特性測試儀器。針對分散性,研究者則依靠硫化、動態(tài)特性測試結(jié)果,直接得出了石墨烯的分散特性情況,因此,此部分特性分析無須額外準備儀器設(shè)備。
待實驗完畢后,根據(jù)所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果,對三種石墨烯用量條件下,復合材料的硫化、物理、動態(tài)、分散這四個特性進行分析,以得出石墨烯用量變化為復合材料所帶來的影響。其中,在硫化特性分析中,該特性能夠直接反映出復合材料的加工性能。一般來說,門尼黏度計得出的數(shù)據(jù)能夠反映出復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)出復合材料加工的安全性。在此次實驗中,當石墨烯用量為0.5、0.25、0.125份的情況下,門尼黏度數(shù)據(jù)分別為,87、87、83,而門尼黏度值越小說明復合材料加工性能越好,但0.5、0.25份用量條件下,復合材料的門尼黏度值一致,由此可見,當石墨烯用量達到一定水平后,復合材料的加工操作難度將不再增加。從硫化儀數(shù)據(jù)上來看,當石墨烯用量分別為0.5、0.25、0.125份時,硫化誘導期值分別為33.39min、31.19min、27.29min,其中,硫化誘導期即為焦燒時間,而硫化誘導期越長,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,將會影響復合材料的加工安全性,但硫化誘導期長度又與加工效率直接相關(guān),當誘導期過長時,加工效率就會降低,由此可知,在復合材料的硫化特性方面,當石墨烯達到一定用量后,其用量越大,門尼黏度值越大,同時,硫化誘導期越短。
在物理特性分析中,復合材料經(jīng)過T10型拉力實驗機的實驗,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,拉伸強度分別為,21.6MPa、21.8MPa、23.7MPa,撕裂強度分別為53kN/m、56kN/m、52kN/m,拉斷伸長率為467%、421%、400%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出,在復合材料物理特性方面,石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增加,并沒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,定伸應(yīng)力與拉伸強度則明顯上升,但0.5、0.25份石墨烯用量時,復合材料的定伸應(yīng)力與拉伸強度并不存在明顯差異。此外,在撕裂強度方面,根據(jù)現(xiàn)行的膠料性能國家標準,三種石墨烯用量情況下,復合材料的撕裂強度,并沒有超出合理范圍,而且也沒有為材料的撕裂強度性能帶來過大變化,因此,若添加量在0.5份以內(nèi),那么復合材料的撕裂強度物理性能則不受明顯影響。基于此,在物理性能方面,當石墨烯用量達到0.125份以上后,定伸應(yīng)力與拉伸強度這兩項性能水平會降低,但繼續(xù)增加用量,性能水平則無明顯下降,同時,石墨烯用量的變化對撕裂強度、硬度也不存在顯著影響。
在動態(tài)特性分析中,使用Y-25型壓縮疲勞實驗機對復合材料進行了壓縮疲勞實驗,以實現(xiàn)對疲勞溫升、永久形變、終動壓縮率這幾個動態(tài)特性項目進行分析。在操作中,將溫度設(shè)定為了55℃壓縮負荷設(shè)置為1MPa沖程值設(shè)置為4.45mm實驗轉(zhuǎn)速為400r/min、實驗時間為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,在動態(tài)特性方面,石墨烯用量的增加會使復合材料的疲勞溫升提高,同時,永久形變、終動壓縮率也會提升[1]。
在分散特性分析上,從硫化實驗內(nèi)容來看,門尼黏度值隨著石墨烯用量的增加而提高,主要是因為石墨烯質(zhì)量分數(shù)的增大加劇了其團聚效應(yīng),使其分散度下降,導致黏度增加,而這種分散特性的變化也直接反映在了由硫化儀實驗得出的MH-ML值的變化上,根據(jù)實驗結(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,交聯(lián)度越大復合材料中的石墨烯分散性能就越強。從數(shù)據(jù)可以看出,石墨烯用量減少,會使石墨烯分散性增強,因此,在復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。此外,上述特性也在動態(tài)特性實驗上存在明顯的體現(xiàn)。在此過程中,由于石墨烯的團聚現(xiàn)象會促進復合材料生熱,因此,隨著石墨烯用量的增加,復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、分散性越好的復合材料中石墨烯分散特性[2]。
加入少量的石墨烯能夠優(yōu)化復合材料的加工性能以及物理性能,而適當增加石墨烯則可以延長焦燒時間,提高材料加工的安全性。此外,石墨烯的分散性越強,其復合材料的疲勞溫升就越低,而疲勞溫升低說明了材料的耐久性優(yōu)越,同時,少量添加石墨烯可以保證其在復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)化復合材料的耐久性[3]。
合理控制石墨烯的添加量,能夠提升丁苯橡膠/石墨烯復合材料的使用性能。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優(yōu)化材料的硫化性能,同時,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)實際需求控制石墨烯添加量。