石墨烯氧化物用於橡膠輪胎的先期研究_復材 (#53*) *規劃中

2015-07-01

這周我還在想石墨烯連隱形斗篷都有人做應用，應該可以用到任何場所了，回頭想想我最早認為技術最容易的是橡膠，那時候想做橡膠輪胎，但聽到友人說因涉及行車安全，所以耐久驗證會很久的擱置。石墨烯橡膠通常用在導電、增韌及氣體阻絕功能上，如果當初不去想太多，或許現在已經出現石墨烯輪胎或內胎了。

這篇談到復材類應用技術的橡膠輪胎。橡膠是一種在大變形下能迅速恢復形變的高分子材料，近年來，橡膠工業的迅速發展，對橡膠製品提出了更高的要求，特別是高速列車、大飛機和航空航天等高科技領域，對橡膠材料要求近乎苛刻，橡膠材料必須向著功能化、精細化和多元化的方向發展。納米填料具有較大的比表面積、較強的填料─聚合物界面作用力，納米複合材料比傳統材料具有更優異的力學、熱學、電學和氣／液阻隔性能，採用納米填料改性橡膠是橡膠工業的發展趨勢之一。

目前製備石墨烯／橡膠複合材料的製備方法主要有三種，即膠乳共混法、溶液共混法和機械混煉法。這裡我們使用膠乳共混法製備石墨烯／橡膠複合材料，方法是將石墨烯或者石墨烯氧化物的分散液加入到橡膠膠乳中，攪拌均勻後進行破乳、乾燥、硫化得到石墨烯／橡膠複合材料。大多數的橡膠是以膠乳形式存在，無溶劑引入，污染小，工藝相對簡單。關於石墨烯／橡膠複合材料，目前研究得較多的是石墨烯／天然橡膠 (NR) 納米複合材料。為了提高橡膠材料的電導率，我們通過膠乳混合-靜態熱壓和硫化方法製備了具有石墨烯導電網路的石墨烯／NR 納米複合材料。研究發現，在此方法製備的材料具有優異的氣體阻隔性和導電性能，可應用於航空航天、電磁屏蔽等領域。至於溶液共混法需要引入大量的有機溶劑，增加了溶劑的脫除、回收等工藝，我們則不予以採用。

與其他碳系填料相比，石墨烯填充橡膠複合材料的機械性能提升效果更為顯著。Zhan 等研究發現，相比於純 NR、含 2% 的石墨烯／NR複合材料的拉伸強度增加了 47%，而相比之下，CB／NR 和 CNT／NR 複合材料的拉伸強度分別只增加了 6%和 9%。Wu 等研究了硅烷偶聯劑改性石墨烯填充 NR 納米複合材料的空氣阻隔性能，發現當石墨烯含量為 0.3wt% 時，材料的空氣透過率比未填充橡膠低 48%，該性能比 TRGO 填充橡膠材料氣體阻隔性能優異，而要達到此阻隔性能，黏土／天然橡膠複合材料的填料含量需達到 16.7%。Zhan 等研究了不同方法製備的不同石墨烯分散結構的石墨烯／NR 材料的氣體阻隔性能，他們發現含隔離網路的石墨烯／NR 複合材料比均勻分散的石墨烯／NR 阻隔性能更好。例如，在 25℃ 時，石墨烯含量為 1.78 vol%，前者的水蒸氣透過係數為 1.0*10^-16 g/m*s*Pa，後者為 1.31*10^-16 g/m*s*Pa，比前者高約 24%。

但在最後我們甚至直接用機械混煉法製備石墨烯／橡膠納米複合材料，是將石墨烯和橡膠直接通過開煉機或密煉機進行機械混煉，在一定的溫度與壓力下進行橡膠硫化，最終得到石墨烯／橡膠納米複合材料。該方法沒有溶劑的引入，對極性和非極性橡膠都適用，且成本低，工藝流程簡單，在工業生產中應用較廣泛。當然，要找到一家輪胎廠一起來進行這個項目就妥當了。

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