新型納米碳材SG6 在耐熱輸送帶覆蓋膠中的應(yīng)用研究

公維穎 ，謝家振 ，鄧濤

(1.青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042 ；2.南方石墨研究院（湖南）有限公司，湖南 長沙 410000)

三元乙丙橡膠（EPDM）是乙烯、丙烯及再加有少量的非共軛二烯烴作為硫化點的三元無規(guī)共聚物。根據(jù)配用的第三單體的種類不同，可以將EPDM 分為三類[1]。如：配用亞乙基降冰片烯（ENB）生產(chǎn)的E 型EPDM ；配用雙環(huán)戊二烯（DCPD）生產(chǎn)的D 型EPDM ；配用1,4- 己二烯（HD）生產(chǎn)的H 型EPDM。目前，我國生產(chǎn)的以亞乙基降冰片烯和雙環(huán)戊二烯為第三單體的三元乙丙橡膠較為普遍。三元乙丙橡膠主鏈飽和，不飽和在側(cè)基上，具有優(yōu)異的耐熱老化、耐熱氧老化、耐臭氧老化性能，但由于其特定的分子結(jié)構(gòu)特點，卻存在著黏合性能差、不耐油、硫化速度慢等缺點[2]。

橡膠的補強填充劑按結(jié)構(gòu)可分為：一維填料，包括碳納米管，埃洛石納米管以及纖維素晶須等；二維填料，包括石墨烯，氧化石墨烯以及有機改性蒙脫土等；三維填料，包括炭黑，白炭黑以及炭黑— 白炭黑雙相填料等[3]。

新型納米碳材SG6 是依據(jù)化學(xué)熱力學(xué)的原理，通過材料自身的電效應(yīng)、缺陷效應(yīng)以及層間范得華力的特性，在一定溫度的水環(huán)境中，通過對石墨進行晶體層的剝離，切斷材料的平面鍵合力。這種方式可使SG6 以較低的功耗進行大量生產(chǎn)。SG6 的空間結(jié)構(gòu)中，每個碳原子的周邊連結(jié)著另外三個碳原子，排列方式多呈蜂巢式的多個六邊形。同時顆粒有納米碳片多層堆疊而成，是明顯的二維片層狀結(jié)構(gòu)。

1 實驗部分

1.1 原材料

EPDM 4640，美國杜邦；EPDM 2650；德國朗盛；SG6，南方石墨研究院；N660，卡博特公司；其他配合劑均為常用工業(yè)品。

1.2 實驗儀器設(shè)備

開煉機，X（S）K-160，上海雙翼橡塑機械有限公司；密煉機，XSM-1/20-80，上海科創(chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司；平板硫化機，LCM-3C2-G03-LM，深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司；GT-7017-M 型老化箱，臺灣高鐵有限公司；無轉(zhuǎn)子硫化儀，M-3000A，臺灣高鐵有限公司；電子拉力機，JDL-2500N，天發(fā)試驗機械有限公司；硬度計，上海險峰電影機械廠；導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，DRL-III，湘潭湘科有限公司；體積表面電阻率測定儀，ZST-121 型，北京中航時代有限公司。

1.3 實驗配方

N660 和SG6 用量變化實驗配方，詳見表1。

表1 N660 和SG6 用量變化實驗配方

配方其他成分（份）：EPDM 4640 50 ；EPDM 2650 50 ；N220 30 ；N330 20 ；聚異丁烯 10 ；石蠟油2280 10 ；氧化鋅 5 ；輕質(zhì)氧化鎂 3 ；萜烯樹脂10 ；硫化體系 4.8 ；防老劑4020 2 ；防老劑MB 1 ；總計220.8。

1.4 試樣制備

按照試驗配方，用電子天平準確稱量各物料。向密煉機中先投入塑煉過的EPDM 生膠，其次投入小料和增黏劑，最后分3 次加入炭黑N660 或新型納米碳材SG6，密煉10 min。

將密煉機中取出的母煉膠，將兩種母煉膠按比例配合，投入開煉機中補充加工。期間加入硫化體系，左右割刀數(shù)次，打5 次三角包使其混合均勻，打卷3 次，隨后調(diào)大開煉機輥距，下片。

為了指導(dǎo)創(chuàng)業(yè)團隊在不同時期不同崗位出現(xiàn)的疑問，根據(jù)改革后《網(wǎng)店運營》的課程特點，由專業(yè)教師和校企導(dǎo)師共同組成了指導(dǎo)團隊，校內(nèi)專任教師主要是負責(zé)教學(xué)模塊中的教學(xué)組織、實施監(jiān)控和評價組織等工作，校企合作企業(yè)提供部分真實的實訓(xùn)項目，通過線上和親臨課程現(xiàn)場等方式參與教學(xué)指導(dǎo)和講解。學(xué)生在學(xué)習(xí)崗位技能的同時，對行業(yè)更加了解，培養(yǎng)了團隊協(xié)作精神和創(chuàng)業(yè)能力。

用無轉(zhuǎn)子硫化儀在160 ℃下測試膠料的硫化特性，使用平板硫化機按t90進行硫化。

1.5 分析測試

硫化特性：按GB/T 16584—1996，采用無轉(zhuǎn)子硫化儀進行測試，測試溫度為160 ℃，轉(zhuǎn)動角度均為±1° ；

力學(xué)性能：拉伸性能采用電子拉力試驗機按照GB/T 528—2008 進行測試，拉伸速度為500 mm/min，測試溫度為室溫；

邵爾A 硬度：按照GB/T 531.1—2008 進行測試；

門尼黏度：按照GB/T 1232—2008 進行測試；

動態(tài)力學(xué)性能：采用高鐵科技公司生產(chǎn)的RPA 2000 型橡膠加工分析儀，頻率1.7 Hz，轉(zhuǎn)動角度±0.5° ；

硫化膠導(dǎo)熱性能：按GB/T8722—2008 測試；

硫化膠表面電阻：按GB/T 40719—2021 測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性及門尼黏度

混煉膠的硫化性能及門尼黏度如表2 所示。從表2 的硫化數(shù)據(jù)可知，隨著配方中N660 炭黑用量的減少，SG6 用量的增加，混煉膠的最低扭矩ML略微減小，同時在100 ℃下，對混煉膠采用大轉(zhuǎn)子測量其門尼黏度，數(shù)值從69.24 逐漸降低到64.43，變化規(guī)律與硫化特性數(shù)據(jù)中ML的相對應(yīng)，表明SG6 的加入可以改善膠料的流動性，增加膠料的可塑度。混煉膠的最高扭矩MH以及扭矩差值MH-ML也表現(xiàn)出略有降低的變化規(guī)律。

表2 硫化特性及混煉膠門尼黏度

同時我們還可以觀察到，隨著配方中SG6 用量的增加，焦燒時間t10以及工藝硫化時間t90在一定范圍內(nèi)波動，但整體變化不大，表明SG6 的加入對于硫化不會產(chǎn)生較大的影響。

2.2 物理機械性能

考察了SG6/N660 并用比對硫化膠物理機械性能的影響，見表3。

表3 SG6/N660 并用比對硫化膠物理機械性能的影響

對數(shù)據(jù)分析可知，隨著配方中SG6 用量的增加，硫化膠硬度略有降低，拉斷伸長率增大，拉斷永久變形增大，拉伸強度略有改善，但當SG6 用量增大到24 份時，硫化膠的拉伸強度下降明顯。

由于SG6 是二維片層狀結(jié)構(gòu)的納米碳材，在混煉過程中橡膠分子鏈會進入SG6 的片層狀結(jié)構(gòu)中，形成穩(wěn)定的橡膠— 填料相互作用，更有利于應(yīng)力的傳遞。當對材料施加載荷的過程中，填料和橡膠基體之間都發(fā)生著應(yīng)力和應(yīng)變的傳遞。聚合物— 填料之間新的相互作用會因外加載荷破壞聚合物— 填料之間原有的相互作用而發(fā)生演變。在外加載荷的作用下，SG6 發(fā)生層間滑移，形成新的聚合物— 填料之間的相互作用，改善材料的拉斷伸長率[4]。由于SG6 二維的片層狀結(jié)構(gòu)，使得SG6 表面積增大，這可使SG6 與橡膠分子鏈發(fā)生更多的聚合物— 填料相互作用，以此改善硫化膠的拉伸強度以及各級定伸應(yīng)力，但當SG6 的用量增加到24 份時，片層結(jié)構(gòu)的不易分散導(dǎo)致較多的SG6發(fā)生團聚，在硫化膠基體中充當應(yīng)力集中區(qū)域，從而阻礙了應(yīng)力傳遞并最終導(dǎo)致拉伸強度的明顯下降。

2.3 硫化膠DlN 磨耗性能

考察了SG6/N660 并用比對硫化膠DIN 磨耗性能的影響如圖1 所示。

圖1 SG6/N660 并用比對硫化膠DIN 磨耗性能的影響

由圖1 可知，由于隨著配方中片層狀結(jié)構(gòu)、表面活性基團較少、結(jié)構(gòu)度較低的SG6 用量的增加，N660 用量的減少，硫化膠的DIN 磨耗體積有所增大，為平衡磨耗性能與力學(xué)性能，應(yīng)進一步調(diào)整配方加以改善。

2.4 硫化膠動態(tài)力學(xué)性能

損耗因子（tanδ），它描述了材料在動態(tài)變形條件下的力學(xué)損耗行為，即黏彈性材料在交變力場作用下應(yīng)力與應(yīng)變周期相位差角的正切，也等于該材料的損耗模量與儲能模量之比。同時tanδ 也是衡量橡膠制品動態(tài)生熱的重要指標，也是評價耐熱輸送帶覆蓋膠使用效果的重要參數(shù)之一。

對硫化膠進行動態(tài)力學(xué)性能測試，考察了SG6/N660 并用比對硫化膠動態(tài)力學(xué)性能的影響如圖2、3所示。

圖2 SG6/N660 并用比對硫化膠儲能模量性能的影響

由圖2 可知，在60 ℃下以及在160 ℃下，隨著配方中SG6 用量的增加，N660 用量的減少，硫化膠的儲能模量降低，這表明盡管SG6 由于較大的比表面積可以與橡膠分子鏈形成更多的聚合物— 填料相互作用，但與N660 相比，這種聚合物— 填料的相互作用較小。同時我們可以觀察到，在160 ℃下，硫化膠的儲能模量明顯低于相同配方在60 ℃下的儲能模量。由圖3 可知，在60 ℃下以及在160 ℃下，隨著SG6 填充量增大，硫化膠的tanδ下降明顯，這表明隨著SG6填充量的增加可以改善材料在動態(tài)條件下使用時的生熱問題，降低輸送帶制品在使用過程中的生熱量。

圖3 SG6/N660 并用比對硫化膠損耗因子性能的影響

2.5 硫化膠導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能

由于輸送帶在動態(tài)條件下使用，因自身的反復(fù)屈撓以及與輸送物品之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱。熱量不能及時排出，會導(dǎo)致輸送帶自身溫度過高，影響輸送帶的性能，同時也會加快產(chǎn)品的老化歷程，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。同時由于與輸送物品之間的摩擦，輸送帶覆蓋膠表面會帶有一定量的靜電，對輸送帶的使用存在一定的隱患。

由于SG6 是納米級的新型石墨材料，并且其結(jié)構(gòu)具有明顯的二維多層片層結(jié)構(gòu)，易發(fā)生材料排列的“ 逾滲” 效應(yīng)，故其具有較好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電特性。對硫化膠進行導(dǎo)熱性能及表面電阻測試，考察SG6/N660 并用比對硫化膠導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能的影響，如圖4、表4所示。

圖4 SG6/N660 并用比對硫化膠導(dǎo)熱性能的影響

表4 SG6/N660 并用比對硫化膠導(dǎo)電性能的影響

根據(jù)圖4 可知，隨著SG6 用量的增加，在60 ℃下硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。結(jié)合圖3 中材料的動態(tài)生熱降低的現(xiàn)象，表明SG6 的替代，使得材料的熱傳導(dǎo)性能得到改善，動態(tài)生熱量降低，降低材料在動態(tài)使用條件下的熱積累，延長了輸送帶制品的使用壽命。

如表4 可知，隨著SG6 用量的增加，硫化膠的表面電阻值逐漸降低，其中全部使用SG6 的5#試樣，其表面電阻值為5.3×107Ω，具有一定的導(dǎo)靜電效果，可有效改善耐熱輸送帶在使用過程中吸附的灰塵、油污，同時也可有效減少耐熱輸送帶在使用過程中出現(xiàn)的放電或火花放電，保障安全，抑制橡膠的老化行為，提高輸送帶制品的使用壽命。

3 結(jié)論

在耐熱輸送帶覆蓋膠制品中，通過采用新型納米碳材SG6 對配方中N660 炭黑進行逐量替代，隨著SG6 替代量的增大。

（1）混煉膠扭矩差值略有降低，t10以及t90基本保持不變，門尼黏度略微減小。

（2）硫化膠硬度降低，拉伸強度，拉斷伸長率以及定伸應(yīng)力有所改善，但當SG6 全替代時，拉伸強度下降明顯。

（3）硫化膠耐磨性能下降，但動態(tài)生熱性能，導(dǎo)熱性能以及導(dǎo)電性能改善明顯。

新型納米碳材SG6 在以EPDM 為材料的耐熱輸送帶覆蓋膠的應(yīng)用中具有廣泛的前景。