碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料的阻尼性能研究

程衛(wèi)平 周傳忠 史朝龍 田雨

摘 要：將碳納米管（CNTs）作為阻尼填料添加到阻尼硅橡膠中，研究表明CNTs可以在保證硅橡膠力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)，不大幅改變硅橡膠模量，同時(shí)提高硅橡膠的損耗因子，添加CNTs的硅橡膠在-70～20℃范圍內(nèi)損耗因子提升了20%，而硅橡膠-30℃下的彈性模量?jī)H僅從20MPa變化到了24MPa。

關(guān)鍵詞：碳納米管;損耗因子;彈性模量;阻尼橡膠

在硅橡膠中添加無(wú)機(jī)填料提高硅橡膠損耗因子的方法簡(jiǎn)便易行，目前，關(guān)于CNTs對(duì)熱硫化硅橡膠阻尼性能影響的研究還較少。以CNTs為無(wú)機(jī)填充劑制備的CNTs/硅橡膠復(fù)合材料，在提高硅橡膠的阻尼性能的同時(shí)，又不會(huì)對(duì)硅橡膠基體的玻璃化轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響，又可以保證基體本身的恒模量特性。[1]有望通過(guò)碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料結(jié)合基體和填料的優(yōu)點(diǎn)，從而制備出兼具有良好力學(xué)性能，阻尼性能的新型材料。本文在自制阻尼硅橡膠的基礎(chǔ)上，繼續(xù)制備了CNTs/硅橡膠復(fù)合材料，研究了CNTs對(duì)硅橡膠物理機(jī)械性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

阻尼硅橡膠，自制;多壁碳納米管（工業(yè)級(jí)），Φ150nm，長(zhǎng)度6—8μm;氣相法白炭黑（工業(yè)級(jí)）;過(guò)氧化二異丙苯（DCP），分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)部分

在雙輥開(kāi)煉機(jī)上加入100g阻尼硅橡膠，按照表1中的基本配方，加入一定量的硫化劑及碳納米管，薄通3～5次，打卷3～5次，下片，用裁刀裁成相應(yīng)形狀后放入模具和平板硫化機(jī)中，硫化溫度為150℃，硫化時(shí)間按照依照無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定的正硫化時(shí)間。

1.3 測(cè)試分析

場(chǎng)發(fā)射電鏡掃描采，樣品在液氮中脆斷，斷面噴金處理。邵氏硬度測(cè)試，按照GB/T531.1-2008測(cè)試。拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能按照GB/T528-2009測(cè)試，撕裂強(qiáng)度按照GB/T529-2008測(cè)試。

動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試，測(cè)試方法為壓縮模式，樣品規(guī)格為φ10*10圓柱，溫度范圍-70～150℃，測(cè)試頻率為125Hz，升溫速率為3℃/min，靜壓縮量為5%，振幅30μm。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌

采用SEM觀察了碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料的微觀形貌，如圖1是碳納米管（CNTs）填充量分別為0、5、10份下的掃描電鏡照片，圖1（a）中，散落分布的白色顆粒為白炭黑，白炭黑均勻分布在硅橡膠基體中，表明白炭黑在硅橡膠中具有良好的分散性和相容性。同時(shí)表面還存在一些凹坑，這可能是由于凹坑內(nèi)團(tuán)聚的白炭黑留在了另一部分基體當(dāng)中

而加入CNTs的硅橡膠表面形貌則出現(xiàn)了明顯的變化，圖1（b）和（c）中，都出現(xiàn)了許多白色棒狀的碳納米管，碳納米管長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)幾個(gè)微米，而直徑則在200納米左右。可以看到碳納米管一部分埋入硅橡膠內(nèi)部，另一部分露出基體表面，存在從基體中拔出的現(xiàn)象，表明同硅橡膠的相互作用較弱，CNTs在硅橡膠中散布較為均勻，基本沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象。

2.2 碳納米管對(duì)硅橡膠物理機(jī)械性能的影響

隨CNTs用量上升，硅橡膠拉斷伸長(zhǎng)率下降、拉斷永久變形上升，當(dāng)CNTs用量為5份時(shí)，硅橡膠硬度上升了3、拉伸強(qiáng)度從8.19MPa下降到7.97MPa，而撕裂強(qiáng)度則變化不大，當(dāng)CNTs用量為增加到10份時(shí)，硅橡膠拉伸強(qiáng)度仍能保持在785MPa，CNTs無(wú)法使硅橡膠的拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步上升，主要原因可能是CNTs表面未進(jìn)行過(guò)改性，因而與硅橡膠基體間相互作用太小，當(dāng)硅橡膠受到外力時(shí)，碳納米管輕易地就從硅橡膠基體中脫離出來(lái)，沒(méi)有起到補(bǔ)強(qiáng)的效果。

2.3 碳納米管對(duì)硅橡膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

隨碳納米管用量的增加，硅橡膠損耗因子上升，CNTs添加量為5份時(shí)，硅橡膠在-70～20℃范圍內(nèi)損耗因子提升了20%。損耗因子的提升來(lái)源于CNTs在硅橡膠變形過(guò)程中和硅橡膠基體發(fā)生界面摩擦作用引起了能量耗散。而CNTs本身的損耗因子沒(méi)有硅橡膠高，繼續(xù)添加碳納米管后，CNTs/硅橡膠復(fù)合材料中硅橡膠所占比例降低，硅橡膠在高溫下的損耗因子繼續(xù)上升，而在低溫下?lián)p耗因子的提升不明顯。如圖2所示。

從圖3中可以看出碳納米管對(duì)硅橡膠模量的影響很小，硅橡膠-30℃下的彈性模量?jī)H僅從20MPa變化到了24Mpa，這表明碳納米管這種無(wú)機(jī)填料可以在不明顯改變硅橡膠模量的情況下，提高硅橡膠的損耗因子，這一點(diǎn)與白炭黑對(duì)硅橡膠模量的影響有明顯差異。CNTs與白炭黑對(duì)硅橡膠差別在于同硅橡膠的結(jié)合力不同，CNTs同硅橡膠結(jié)合力較弱，不會(huì)同硅橡膠形成填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此隨CNTs用量增加，硅橡膠整體模量變化不大。

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，CNTs在硅橡膠基體中分散均勻，未發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著CNTs用量增加，硅橡膠的拉伸強(qiáng)度小幅下降。但是CNTs可以在保證硅橡膠準(zhǔn)恒模量的前提下提高硅橡膠的阻尼性能，并且對(duì)硅橡膠本身的物理機(jī)械性能不會(huì)產(chǎn)生大的負(fù)面作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nadeem I，Mohammad B，Sadia S，et al.Fabrication and characterization of multiwalled carbon nanotubes/silicone rubber composites[J].Journal of Applied Polymer Science，2013，128（4）：2439-2446.