氧化石墨烯/碳纳米管/丁基胶乳复合材料的湿法制备机理及实验研究
发布时间：2021-02-19 20:31
橡胶复合材料在轮胎和航空航天工程中越来越重要,为了提高橡胶复合材料的综合性能,人们做了大量研究工作,其导热性能就是其中之一。作为纳米填料的氧化石墨（GO）和碳纳米管（CNTs）,具有超强的比表面积和特殊的结构及性能。将其加入橡胶基体中,可以提高硫化胶的物理机械性能、气密性、导电性和导热性。然而,GO和CNTs的结构特点导致它们容易聚集,不易分散,极大地影响了GO和CNTs在橡胶中性能的发挥。因此,如何使GO与CNTs在橡胶基体中均匀分散,增强填料与橡胶基体之间的界面作用力,是需要解决的主要问题之一。本文提出了GO与CNTs并用增强丁基橡胶（IIR）的性能的加工方法,研究了GO和CNTs并用的协同效应;通过实验研究,确定并优化了GO和CNTs协同并用增强丁基橡胶各项性能的配方比例。通过对GO和CNTs的结构、作用机理、协同效应以及湿法混炼工艺等方面的研究,设计了湿法混炼方案,并进行了实验研究,探索出了制备综合性能优异的GO/CNTs/IIR复合材料的湿法混炼工艺。本文完成的主要工作如下:1.提出了干冰膨胀预分散法制备GO/IIR复合材料、CNTs/IIR复合材料GO/CNTs/IIR复合...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯和氧化石墨烯分子结构图
氧化石墨烯/碳纳米管/丁基胶乳复合材料的湿法制备机理及实验研究4图1-2GO/聚合物复合材料在絮凝过程中3个阶段的分散状态[11]Fig.1-2ThethreestatesofGO/compositeduringthelatexcompound[11]四川大学Xia等[15]在GO/NR混合液中加入还原剂水合肼来还原GO，得到橡胶纳米复合材料，在制备过程中，将GO分布在胶乳中，打破GO团聚，使石墨烯均一分散在橡胶基体中。Zhang等将GO均匀分散在DMF中，再将氢化羧基丁腈橡胶(HXNBR)与GO混合均匀，得到母胶，将母胶硫化后，制得硫化胶，最后得到GO/HXNBR复合材料。结果表明：复合材料的拉伸强度和定伸强度均有所提高，分别提高了50%和100%。GO与HXNBR橡胶接触面积多，使填料与橡胶之间的作用力增大[16]。Liao等[17]采用还原剂还原GO，制得石墨烯(TPG)，接着Mannich反应后，得到综合性能优异的JTPC，最后得到JTPC/NBR复合材料。同时，这种方法相对溶液插层法，能够避免有机溶剂的大量使用，方法简单有效，且有着大的工业化前景。缺点是容易受到其它因素的影响，如搅拌的时间，胶乳的质量，超声波速率等工艺参数。4.熔融共混法熔融共混法是通过机械转子的强剪切作用，在高温作用下，把纳米填料，如氧化石墨烯、碳纳米管等分散在橡胶基体中，此时橡胶基体处于熔融状态下。聚合物链插层到石墨烯层片中，然后在冷却状态下将交联剂加入，得到橡胶纳米复合材料。但是一些不含活性官能团或者不适合原位聚合的高分子体系也可采用这种方法。熔融共混法适用于极性橡胶与非极性橡胶[18]。该方法也存在缺点，随着无机填料的份数增加，橡胶基体的温度也随之上升，达到一定温度后，产物极易发生降解[19]。与
氧化石墨烯/碳纳米管/丁基胶乳复合材料的湿法制备机理及实验研究6Song等[26]使用Flacktek混合分散机制备石墨烯纳米片(GnPs)/SBR复合材料。随着GnPs的填充份数的增加，复合材料的导热系数显著提高。当GnPs的质量分数为8wt%时，复合材料的导热系数显著提升，这是GnPs在橡胶基体中稳定分散的结果。图1-3SBR纳米复合材料的导热、导电系数与温度的关系曲线[26]Fig.1-3ThermalandelectricalpropertiesoftheSBRcompositesfordifferentSBRcomposites[26]Zhao等[27]研究了GO与TEVS-GO对液体硅胶(LSR)导热性能的影响，结果表明，TEVS-GO/LSR复合材料的导热系数得到了很大的提升，说明填料在橡胶基体中的稳定分散也很关键。3.导电性能石墨烯本身具有优异的导电性能，当填充到橡胶基体中时，许多因素会影响复合材料的导电性。文献[28]按照石墨烯、天然橡胶、甲苯及NMP的汉森溶解度系数设计出了一套制备方法。首先将石墨烯/NMP与天然橡胶/甲苯按一定比例混合，使甲苯/NMP混合溶液的溶解度系数与橡胶及石墨烯接近，橡胶和石墨烯能够均匀地分散在混合液中；随着甲苯的不断挥发，混合液的溶液度系数向纯NMP溶液相不断偏离，石墨烯片析出，最后形成复合物。得到的复合材料具有良好的导热性，此时石墨烯的渗透阈限在1%左右。C.Li等[29]制备出石墨烯/SBR纳米复合材料，当在SBR橡胶中填充的石墨烯的份数增大后，橡胶复合材料的导电性得到提高。Y.Li等[30]制备出了导电橡胶，将石墨烯与碳纳米线混合均匀，得到气凝胶，此时得到导电性能优异的橡胶复合材料。Matos等[31]用乳液共混法制备了rGO填充天然橡胶复合材料。采用表面活性剂使rGO均匀稳定的分布在天然胶乳中，得到的天然橡胶纳米复合材料具有优异的导电性能。因为石墨烯片之间的良好接触，达到了一个非常低?
【参考文献】：
期刊论文
[1]干冰在氧化石墨烯/白炭黑/天然橡胶复合材料湿法混炼中的应用研究[J]. 汪传生,张鲁琦,常天浩,边慧光,刘洁. 橡胶工业. 2019(11)
[2]依溶解度系数制备高导电石墨烯/橡胶复合物[J]. 宋成芝,谢华,高寒阳,刘海军,胡国新,胡宇辰,薛晨. 化学工程. 2019(11)
[3]石墨烯/碳纳米管协同增强再生纤维素复合薄膜的导热性能研究[J]. 杨胜都,孙鑫,李毅,薛白,谢兰,许开华,郑强. 塑料工业. 2019(09)
[4]石墨烯/碳纳米管复合纳米材料改性导电涂料的性能[J]. 姜雄峰,朱志平,周艺,石纯. 材料保护. 2019(06)
[5]石墨烯用量对天然橡胶/反式聚异戊二烯复合材料性能的影响[J]. 陈利,庞秀江,于广水,刘吉文,庄涛,赵健. 合成橡胶工业. 2019(03)
[6]氧化石墨烯接枝防老剂的合成及在天然橡胶中的应用[J]. 樊正,周军军,郑静,黄光速. 合成橡胶工业. 2019(02)
[7]淤浆共混法制备碳纳米管/天然橡胶复合材料及其性能的研究[J]. 何燕,郭昌,徐瑾,崔连雷. 橡胶工业. 2019(02)
[8]氧化石墨烯增强天然橡胶复合材料性能[J]. 汪传生,张鲁琦,方德光,肖家伟,刘洁. 弹性体. 2018(06)
[9]石墨烯/天然橡胶母胶对NR性能的影响[J]. 冯洪福,李蒙,邰烨,刘守兴. 特种橡胶制品. 2018(06)
[10]氧化石墨烯改性高温环氧树脂基碳纤维复合材料的热性能与力学性能[J]. 代少伟,李伟东,邱虹,张莹,周川,刘文军,胡晓兰,白华,周玉敬. 厦门大学学报(自然科学版). 2019(03)
硕士论文
[1]白炭黑/天然胶乳制备母炼胶的工艺方法及实验研究[D]. 肖培光.青岛科技大学 2017
本文编号：3041648
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯和氧化石墨烯分子结构图
氧化石墨烯/碳纳米管/丁基胶乳复合材料的湿法制备机理及实验研究4图1-2GO/聚合物复合材料在絮凝过程中3个阶段的分散状态[11]Fig.1-2ThethreestatesofGO/compositeduringthelatexcompound[11]四川大学Xia等[15]在GO/NR混合液中加入还原剂水合肼来还原GO，得到橡胶纳米复合材料，在制备过程中，将GO分布在胶乳中，打破GO团聚，使石墨烯均一分散在橡胶基体中。Zhang等将GO均匀分散在DMF中，再将氢化羧基丁腈橡胶(HXNBR)与GO混合均匀，得到母胶，将母胶硫化后，制得硫化胶，最后得到GO/HXNBR复合材料。结果表明：复合材料的拉伸强度和定伸强度均有所提高，分别提高了50%和100%。GO与HXNBR橡胶接触面积多，使填料与橡胶之间的作用力增大[16]。Liao等[17]采用还原剂还原GO，制得石墨烯(TPG)，接着Mannich反应后，得到综合性能优异的JTPC，最后得到JTPC/NBR复合材料。同时，这种方法相对溶液插层法，能够避免有机溶剂的大量使用，方法简单有效，且有着大的工业化前景。缺点是容易受到其它因素的影响，如搅拌的时间，胶乳的质量，超声波速率等工艺参数。4.熔融共混法熔融共混法是通过机械转子的强剪切作用，在高温作用下，把纳米填料，如氧化石墨烯、碳纳米管等分散在橡胶基体中，此时橡胶基体处于熔融状态下。聚合物链插层到石墨烯层片中，然后在冷却状态下将交联剂加入，得到橡胶纳米复合材料。但是一些不含活性官能团或者不适合原位聚合的高分子体系也可采用这种方法。熔融共混法适用于极性橡胶与非极性橡胶[18]。该方法也存在缺点，随着无机填料的份数增加，橡胶基体的温度也随之上升，达到一定温度后，产物极易发生降解[19]。与
氧化石墨烯/碳纳米管/丁基胶乳复合材料的湿法制备机理及实验研究6Song等[26]使用Flacktek混合分散机制备石墨烯纳米片(GnPs)/SBR复合材料。随着GnPs的填充份数的增加，复合材料的导热系数显著提高。当GnPs的质量分数为8wt%时，复合材料的导热系数显著提升，这是GnPs在橡胶基体中稳定分散的结果。图1-3SBR纳米复合材料的导热、导电系数与温度的关系曲线[26]Fig.1-3ThermalandelectricalpropertiesoftheSBRcompositesfordifferentSBRcomposites[26]Zhao等[27]研究了GO与TEVS-GO对液体硅胶(LSR)导热性能的影响，结果表明，TEVS-GO/LSR复合材料的导热系数得到了很大的提升，说明填料在橡胶基体中的稳定分散也很关键。3.导电性能石墨烯本身具有优异的导电性能，当填充到橡胶基体中时，许多因素会影响复合材料的导电性。文献[28]按照石墨烯、天然橡胶、甲苯及NMP的汉森溶解度系数设计出了一套制备方法。首先将石墨烯/NMP与天然橡胶/甲苯按一定比例混合，使甲苯/NMP混合溶液的溶解度系数与橡胶及石墨烯接近，橡胶和石墨烯能够均匀地分散在混合液中；随着甲苯的不断挥发，混合液的溶液度系数向纯NMP溶液相不断偏离，石墨烯片析出，最后形成复合物。得到的复合材料具有良好的导热性，此时石墨烯的渗透阈限在1%左右。C.Li等[29]制备出石墨烯/SBR纳米复合材料，当在SBR橡胶中填充的石墨烯的份数增大后，橡胶复合材料的导电性得到提高。Y.Li等[30]制备出了导电橡胶，将石墨烯与碳纳米线混合均匀，得到气凝胶，此时得到导电性能优异的橡胶复合材料。Matos等[31]用乳液共混法制备了rGO填充天然橡胶复合材料。采用表面活性剂使rGO均匀稳定的分布在天然胶乳中，得到的天然橡胶纳米复合材料具有优异的导电性能。因为石墨烯片之间的良好接触，达到了一个非常低?
【参考文献】：
期刊论文
[1]干冰在氧化石墨烯/白炭黑/天然橡胶复合材料湿法混炼中的应用研究[J]. 汪传生,张鲁琦,常天浩,边慧光,刘洁. 橡胶工业. 2019(11)
[2]依溶解度系数制备高导电石墨烯/橡胶复合物[J]. 宋成芝,谢华,高寒阳,刘海军,胡国新,胡宇辰,薛晨. 化学工程. 2019(11)
[3]石墨烯/碳纳米管协同增强再生纤维素复合薄膜的导热性能研究[J]. 杨胜都,孙鑫,李毅,薛白,谢兰,许开华,郑强. 塑料工业. 2019(09)
[4]石墨烯/碳纳米管复合纳米材料改性导电涂料的性能[J]. 姜雄峰,朱志平,周艺,石纯. 材料保护. 2019(06)
[5]石墨烯用量对天然橡胶/反式聚异戊二烯复合材料性能的影响[J]. 陈利,庞秀江,于广水,刘吉文,庄涛,赵健. 合成橡胶工业. 2019(03)
[6]氧化石墨烯接枝防老剂的合成及在天然橡胶中的应用[J]. 樊正,周军军,郑静,黄光速. 合成橡胶工业. 2019(02)
[7]淤浆共混法制备碳纳米管/天然橡胶复合材料及其性能的研究[J]. 何燕,郭昌,徐瑾,崔连雷. 橡胶工业. 2019(02)
[8]氧化石墨烯增强天然橡胶复合材料性能[J]. 汪传生,张鲁琦,方德光,肖家伟,刘洁. 弹性体. 2018(06)
[9]石墨烯/天然橡胶母胶对NR性能的影响[J]. 冯洪福,李蒙,邰烨,刘守兴. 特种橡胶制品. 2018(06)
[10]氧化石墨烯改性高温环氧树脂基碳纤维复合材料的热性能与力学性能[J]. 代少伟,李伟东,邱虹,张莹,周川,刘文军,胡晓兰,白华,周玉敬. 厦门大学学报(自然科学版). 2019(03)
硕士论文
[1]白炭黑/天然胶乳制备母炼胶的工艺方法及实验研究[D]. 肖培光.青岛科技大学 2017
本文编号：3041648
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