碳納米管在氟橡膠中的應用研究

高洪強，張培亭，肖建斌*，鐘 光

(1.青島科技大學 高分子科學與工程學院,山東 青島 266042；2.山東大展納米材料有限公司，山東 濱州 256200)

碳納米管是一種具有石墨結(jié)構的管狀納米碳材料，直徑在納米量級，具有很大的長徑比。由于碳納米管具有極高的機械強度、獨特的金屬或半導體導電特性、吸附能力等，被發(fā)現(xiàn)之后立即受到物理、化學和材料科學界以及高新技術產(chǎn)業(yè)部門的極大重視[1-2]。氟橡膠具有耐熱、耐溶劑、耐強氧化劑等特性，并具有良好的物理機械性能，成為現(xiàn)代工業(yè)尤其是高技術領域中不可缺少和替代的基礎材料，廣泛應用于軍工、航空航天、汽車等諸多領域[3]。

本文研究了碳納米管含量對氟橡膠加工性能、力學性能、高溫拉伸性能、導熱性能及耐磨性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察碳納米管在氟橡膠基體中的分散情況。

1 實驗部分

1.1 原料

氟橡膠:2602，上海三愛富股份有限公司；碳納米管:GTR-01，山東大展納米材料有限公司；炭黑：N234、N990，上海卡博特化工有限公司；硅藻土N85:上海首立化工貿(mào)易有限公司；其它配合劑均為工業(yè)級市售品。

1.2 儀器設備

X(S)K-160型開煉機：上海雙翼橡塑機械股份有限公司；GT-M2000-A型無轉(zhuǎn)子硫化儀：GOTECH股份有限公司；HS100T-FTMO-90型硫化機：佳鑫電子設備科技(深圳)有限公司；HD-10型厚度計：上海化工機械四廠；XY-1型橡膠硬度計：上海化工機械四廠；AI-7000M型電子拉力機：GOTECH股份有限公司；GT-7012-D DIN型磨耗試驗機：GOTECH股份有限公司；DTC-300型導熱儀：美國TA儀器公司；JSM-7500F型SEM：日本電子株式會社。

1.3 基礎配方

基礎配方(質(zhì)量份)為：氟橡膠 100，氧化鎂 3，氫氧化鈣 6，微晶蠟1，雙酚AF 1.8，芐基三苯基氯化磷(BPP) 0.7。碳納米管及各種填料用量如文中各表所示。

1.4 試樣制備

氟橡膠在開煉機上熱煉，均勻包輥后加入配合劑及碳納米管，薄通6遍，下片，停放24 h。硫化條件：溫度為170 ℃，硫化時間按工藝正硫化時間。硫化后的試樣在室溫下停放24 h后進行性能測試。

1.5 性能測試

拉伸性能按GB/T 528—2009進行測試；撕裂性能按GB/T 529—2008進行測試；邵爾A硬度按GB/T 531—2008進行測式；高溫拉伸性能按HG/T 3868—2008進行測試；導熱性能按GB/T 10295進行測試；SEM分析：在常溫下將拉伸試樣斷面噴金，采用SEM觀察斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

碳納米管優(yōu)異的力學性能可為橡膠基體提供良好的補強性，并提高其抗疲勞性能。當施加外力時，碳納米管特殊的管狀石墨結(jié)構決定應力沿管壁傳遞。碳納米管在橡膠基體中形成的填充網(wǎng)絡可將其中積聚的熱量迅速散失，降低橡膠制品的熱疲勞損失，延長使用壽命[4]。

2.1 碳納米管對無填料氟橡膠性能的影響

碳納米管對無填料氟橡膠性能的影響如表1所示。

表1 碳納米管對無填料氟橡膠性能的影響

由表1可以看出，隨著碳納米管含量的增加，氟橡膠的最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩都增大，正硫化時間延長，對于膠料的加工不利；焦燒時間小幅度增長，對加工有利。

由表1還可以看出，隨著碳納米管含量的增加，氟橡膠的硬度、拉伸強度、100%定伸應力均逐漸提高，在橡膠基體中形成網(wǎng)絡結(jié)構，當施加外力時，強度極高的碳納米管承受應力，從而阻止橡膠基體破裂[5]。撕裂強度提高特別明顯，說明碳納米管極大的長徑比能有效增加氟橡膠基體的撕裂強度。拉斷伸長率則降低，可見碳納米管形成的網(wǎng)絡結(jié)構限制了分子鏈的運動，導致拉斷伸長率降低。

碳納米管的補強潛力仍有待開發(fā)，影響碳納米管/聚合物材料力學性能的重要因素是碳納米管在聚合物基體中的分散性和聚合物與碳納米管之間的界面作用力。研究表明[6]，碳納米管之間的團聚和滑移不能使碳納米管起到理想的增強作用。通過拉曼光譜研究碳納米管/環(huán)氧樹脂納米復合材料中應力的轉(zhuǎn)移情況，結(jié)果表明，應力產(chǎn)生了有效的轉(zhuǎn)移[7]。

2.2 碳納米管對炭黑補強氟橡膠性能的影響

碳納米管對炭黑補強氟橡膠性能的影響見表2。

表2 碳納米管對炭黑補強氟橡膠性能的影響

由表2可知，隨著碳納米管含量的增加，N990補強氟橡膠的正硫化時間延長，焦燒時間略有延長；而N234補強氟橡膠焦燒時間縮短，正硫化時間延長。隨著碳納米管含量的增加，氟橡膠的硬度、拉伸強度、100%定伸應力、撕裂強度均逐漸提高。然而優(yōu)異的補強效果使膠料的柔順性降低，導致拉斷伸長率減小。與N990補強氟橡膠相比，N234補強氟橡膠的機械性能更好。

2.3 碳納米管對硅藻土填充氟橡膠性能的影響

2.3.1 碳納米管對硅藻土填充氟橡膠加工性能的影響

由于在實際應用中，氟橡膠多用于淺色制品[8]，因此本工作對硅藻土填充氟橡膠做了進一步研究。碳納米管對硅藻土填充氟橡膠加工性能的影響見表3。

表3 碳納米管對硅藻土填充氟橡膠加工性能的影響

由表3可知，隨著碳納米管含量的增加，硅藻土填充氟橡膠的最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩增大很多，對膠料的加工不利。而焦燒時間、正硫化時間只是小幅度增長，對膠料的加工性能影響不大。

2.3.2 碳納米管對硅藻土填充氟橡膠力學性能的影響

碳納米管耐高溫，呈纖維狀分布在橡膠基體中，對橡膠分子鏈有一定的固定作用，當溫度升高時，能限制鏈段的熱運動。此外，碳納米管導熱性良好，可將積聚的熱量迅速散失，降低橡膠基體的熱疲勞損失[9]。碳納米管對硅藻土填充氟橡膠力學性能影響見表4。

表4 碳納米管對硅藻土填充氟橡膠性能的影響

由表4可以看出，隨著碳納米管含量的增加，氟橡膠的硬度、拉伸強度、100%定伸應力、撕裂強度均逐漸提高，撕裂強度提高了一倍，效果非常明顯；而拉斷伸長率則逐漸減小。與常溫下拉伸強度相比，高溫拉伸強度、拉斷伸長率、100%定伸應力均是大幅下降。但添加碳納米管后，拉伸強度保持率提高，并且隨碳納米管含量增加而逐步提高，可見碳納米管能提高氟橡膠的耐高溫性能。

由表4還可以看出，隨著碳納米管含量的增加，氟橡膠的導熱系數(shù)逐漸提高，可見碳納米管的網(wǎng)絡結(jié)構有利于體系導熱。而150 ℃下的導熱系數(shù)比25 ℃時小，這是由于硅橡膠的熱膨脹系數(shù)大于導電填料的熱膨脹系數(shù)，另外，一些炭黑導電團聚體隨溫度升高而遭到破壞,因此由25 ℃升溫到150 ℃，導電團聚體間的間隙變大，使得體系導熱系數(shù)降低。當填充量達到一定數(shù)值時，填料粒子之間開始有了相互作用，在體系中形成了類似鏈狀和網(wǎng)狀的形態(tài)，稱為導熱網(wǎng)鏈。為獲得高導熱性體系，如何利用各種手段以使體系中的導熱網(wǎng)鏈最大程度地形成從而達到有效熱傳導是應考慮的關鍵問題[10]。

加入碳納米管后，氟橡膠的相對磨耗量明顯降低。由此可見，碳納米管能提高氟橡膠的耐磨性。這是由于碳納米管長徑比很大，對橡膠基體起固化作用，在一定程度上阻止其摩擦損耗。氟橡膠廣泛地應用于汽車、飛機、火箭發(fā)動機的密封件，其耐磨性能關系到整體部件的可靠性和安全性，因此提高氟橡膠的耐磨性能具有極其深遠的意義[11]。

2.3.3 碳納米管在硅藻土填充氟橡膠中的分散情況

高分子材料的形態(tài)結(jié)構和性能之間有著密切的關系，為了深入了解高分子材料的組織結(jié)構特性并更好地利用它們，必須研究高分子材料的形態(tài)和結(jié)構。電子顯微鏡的出現(xiàn)和不斷完善，給高分子材料科學及其工程技術突飛猛進的發(fā)展提供了強有力的分析手段[12-13]。圖1為碳納米管和硅藻土填充氟橡膠的SEM照片。

(a) 碳納米管用量為0 phr

(b) 碳納米管用量為4 phr

(c) 碳納米管用量為4 phr圖1 碳納米管和硅藻土填充氟橡膠的SEM照片

由圖1可以看出，碳納米管的徑向尺寸約為10 nm，碳納米管與橡膠基體之間沒有縫隙，無拔出現(xiàn)象，說明其界面黏結(jié)性良好，載荷可以有效地轉(zhuǎn)移給碳納米管，使復合材料的力學性能得以提高。碳納米管的相互纏結(jié)影響了碳納米管在橡膠基體中的分散，由于整體分散性不良，因此力學性能提高幅度不大。但碳納米管的網(wǎng)絡結(jié)構依然為導熱提供了通路，有利于散熱。

3 結(jié) 論

(1) 隨著碳納米管含量的增加，3組氟橡膠的轉(zhuǎn)矩都增大，硫化時間都延長，硬度、拉伸強度、100%定伸應力、撕裂強度逐漸提高，拉斷伸長率逐漸降低。

(2) 對于硅藻土填充氟橡膠，高溫下拉伸強度降低，但加入碳納米管后，拉伸強度保持率提高；隨著碳納米管含量的增加，氟橡膠的導熱性能、耐磨性能逐漸提高。

(3) 通過SEM觀察拉伸試樣斷面可知，碳納米管在硅藻土填充氟橡膠基體中只是局部分散均勻。

參 考 文 獻：

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