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石墨烯/橡膠復合材料

作者: ‖ 時間:2020/11/20 ‖ 來源: ‖ 點擊:1142

   橡膠在室溫下具有獨特的高彈性,廣泛應用于國民經濟、高新技術和國防軍工等領域。然而,未補強的橡膠強度低、模量低、耐磨差、抗疲勞差,沒有實用性,因此對于絕大多數橡膠都需要填充補強。

      石墨烯作為橡膠納米填料,與其他填料如CB、SiO2等相比,具有更高的比表面積、強度、彈性、熱導率和電導率。

      目前,多種石墨烯/橡膠復合材料被廣泛研究,包括天然橡膠 (NR)、丁腈橡膠 (NBR)、乙丙橡膠 (EPDM)、熱塑性彈性體苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物 (SBS)等。石墨烯不僅能明顯提高復合材料的物理機械性能,同時賦予其功能性。

>>>石墨烯的制備方法

    目前, 石墨烯的制備方法主要包括機械剝離法、溶液液相剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法和還原氧化石墨烯法。

    其中,還原氧化石墨烯法是指先將石墨在強酸和強氧化劑作用下進行氧化, 制備氧化石墨烯 (GO) , 然后再還原除去含氧官能團制備石墨烯。盡管此法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團, 制備的石墨烯存在缺陷和導電性差等缺點, 但是其宏量和廉價制備為其在聚合物復合材料等宏量應用研究中提供了機會,故被廣泛應用。



 

>>>橡膠/石墨烯復合材料的制備方法

      為了獲得優異性能的石墨烯/橡膠復合材料, 首先要保證石墨烯在橡膠基體中均勻分散。通常有以下三種方法:

    (1)溶液共混法。是指將石墨烯和橡膠分散在溶劑中, 在攪拌或超聲作用下進行共混, 然后揮發溶劑或加入非溶劑進行共沉淀, 再硫化制備復合材料的方法。石墨烯能剝離并均勻分散在橡膠基體中, 但也有局限性, 如石墨烯及其衍生物一般不能分散在與橡膠的共同溶劑如三氯甲烷、甲苯等中,因此需要進行改性處理;大量使用有機溶劑造成環境污染且成本大;橡膠硫化配合劑很難通過溶液共混加入。

    (2)直接共混法。是指將石墨烯、橡膠配合劑在開煉機或密煉機中與橡膠進行機械混煉,然后硫化制備石墨烯/橡膠復合材料的方法。該方法在機械剪切力作用下分散填料,工藝流程簡單,成本低,是目前工業生產橡膠復合材料的主要方法。但在混煉過程時, 由于橡膠黏度大,加工困難,且石墨烯片層間范德華力強,橡膠和石墨烯的極性相差大,所以石墨烯很難剝離并均勻分散在橡膠中。

    (3)膠乳共混法。通常是先將石墨烯及其衍生物分散在水相中,再與橡膠膠乳混合,經過絮凝、烘干、混煉配合制備復合材料。有利于石墨烯在橡膠中均勻分散,并避免有毒溶劑的使用。

 

>>>橡膠/石墨烯復合材料的性能

   (1)機械性能。加入非常少量石墨烯就能明顯提橡膠復合材料性能。如上圖對比了幾種納米填料對橡膠增強效率(a為石墨烯,b為粘土,c為CNTs,d為硅,e為CBN33), 可以看到石墨烯具有更顯著的增強效果。在石墨烯/橡膠復合材料中, 石墨烯的分散和石墨烯-橡膠界面作用是決定復合材料性能的兩個重要因素.由于GO表面含有很多含氧官能團, 有利于其對極性橡膠的增強。

    (2)導電性。石墨烯/橡膠復合材料的高電導率主要依賴于石墨烯比表面積、石墨烯含量、石墨烯分散和分布以及石墨烯-橡膠界面結合。

    (3)導熱性。橡膠復合材料中, 熱能主要通過聲子進行傳遞,而強的填料-填料、填料-橡膠耦合有利于熱能的傳導。具有高熱導率的石墨烯/橡膠復合材料,即降低了界面聲子損耗, 增強了石墨烯-橡膠的界面作用。

    (4)氣體阻隔性。石墨烯為二維片層材料, 具有很大的比表面積, 且對氣體分子具有優異的阻隔性, 因此石墨烯在提高橡膠復合材料氣體阻隔性方面也具有潛在的應用。

    (5)其他性能。石墨烯還能改善復合材料其他性能,如改善其動態使用性、增加其耐磨性。

 

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