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        石墨烯/橡胶复合材料

        作者: ‖ 时间:2020/11/20 ‖ 来源: ‖ 点击:726

           橡胶在室温下具有独特的高弹性,广泛应用于国民经济、高新技术和国防军工等领域。然而,未补强的橡胶强度低、模量低、耐磨差、抗疲劳差,没有实用性,因此对于绝大多数橡胶都需要填充补强。

              石墨烯作为橡胶纳米填料,与其他填料如CB、SiO2等相比,具有更高的比表面积、强度、弹性、热导率和电导率。

              目前,多种石墨烯/橡胶复合材料被广泛研究,包括天然橡胶 (NR)、丁腈橡胶 (NBR)、乙丙橡胶 (EPDM)、热塑性弹性体苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物 (SBS)等。石墨烯不仅能明显提高复合材料的物理机械性能,同时赋予其功能性。

        >>>石墨烯的制备方法

            目前, 石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、溶液液相剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和还原氧化石墨烯法。

            其中,还原氧化石墨烯法是指先将石墨在强酸和强氧化剂作用下进行氧化, 制备氧化石墨烯 (GO) , 然后再还原除去含氧官能团制备石墨烯。尽管此法制备的石墨烯不能完全消除含氧官能团, 制备的石墨烯存在缺陷和导电性差等缺点, 但是其宏量和廉价制备为其在聚合物复合材料等宏量应用研究中提供了机会,故被广泛应用。



         

        >>>橡胶/石墨烯复合材料的制备方法

              为了获得优异性能的石墨烯/橡胶复合材料, 首先要保证石墨烯在橡胶基体中均匀分散。通常有以下三种方法:

            (1)溶液共混法。是指将石墨烯和橡胶分散在溶剂中, 在搅拌或超声作用下进行共混, 然后挥发溶剂或加入非溶剂进行共沉淀, 再硫化制备复合材料的方法。石墨烯能剥离并均匀分散在橡胶基体中, 但也有局限性, 如石墨烯及其衍生物一般不能分散在与橡胶的共同溶剂如三氯甲烷、甲苯等中,因此需要进行改性处理;大量使用有机溶剂造成环境污染且成本大;橡胶硫化配合剂很难通过溶液共混加入。

            (2)直接共混法。是指将石墨烯、橡胶配合剂在开炼机或密炼机中与橡胶进行机械混炼,然后硫化制备石墨烯/橡胶复合材料的方法。该方法在机械剪切力作用下分散填料,工艺流程简单,成本低,是目前工业生产橡胶复合材料的主要方法。但在混炼过程时, 由于橡胶黏度大,加工困难,且石墨烯片层间范德华力强,橡胶和石墨烯的极性相差大,所以石墨烯很难剥离并均匀分散在橡胶中。

            (3)胶乳共混法。通常是先将石墨烯及其衍生物分散在水相中,再与橡胶胶乳混合,经过絮凝、烘干、混炼配合制备复合材料。有利于石墨烯在橡胶中均匀分散,并避免有毒溶剂的使用。

         

        >>>橡胶/石墨烯复合材料的性能

           (1)机械性能。加入非常少量石墨烯就能明显提橡胶复合材料性能。如上图对比了几种纳米填料对橡胶增强效率(a为石墨烯,b为粘土,c为CNTs,d为硅,e为CBN33), 可以看到石墨烯具有更显著的增强效果。在石墨烯/橡胶复合材料中, 石墨烯的分散和石墨烯-橡胶界面作用是决定复合材料性能的两个重要因素.由于GO表面含有很多含氧官能团, 有利于其对极性橡胶的增强。

            (2)导电性。石墨烯/橡胶复合材料的高电导率主要依赖于石墨烯比表面积、石墨烯含量、石墨烯分散和分布以及石墨烯-橡胶界面结合。

            (3)导热性。橡胶复合材料中, 热能主要通过声子进行传递,而强的填料-填料、填料-橡胶耦合有利于热能的传导。具有高热导率的石墨烯/橡胶复合材料,即降低了界面声子损耗, 增强了石墨烯-橡胶的界面作用。

            (4)气体阻隔性。石墨烯为二维片层材料, 具有很大的比表面积, 且对气体分子具有优异的阻隔性, 因此石墨烯在提高橡胶复合材料气体阻隔性方面也具有潜在的应用。

            (5)其他性能。石墨烯还能改善复合材料其他性能,如改善其动态使用性、增加其耐磨性。

         

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