新型纳米碳材（SG3-G）对SBR/POE硫化胶力学性能及导热性能影响

迟迎训，李广元

(蓬莱市临阁橡塑制品有限公司，山东 烟台)

丁苯橡胶（SBR），又称聚苯乙烯丁二烯共聚物。其物理机械性能、耐磨、耐热、耐老化、加工性能优异，是最大的通用合成橡胶品种；乙烯-辛烯共聚物（POE）是陶氏化学生产的无双键的饱和烯烃弹性体，其有较好的耐老化性能；研究考察一定共混比SBR/POE共混硫化胶物理机械性能，以便进一步使其应用。

新型纳米碳材具有石墨为完整的六方晶系，多种优异的性能，广泛应用于能源、汽车、电子、医疗、航空航天等多个领域。其片层之间以弱的范德华力结合，层距约为0.34 nm。橡胶分子链难以进入石墨片层进行良好的结合，石墨与石墨之间反而容易形成团聚，使得其在橡胶基体中分散不均匀，同时，石墨表面表现为化学惰性，难以与橡胶界面形成良好的化学结合，最终导致补强性能不佳。将石墨片层进行剥离成为多层石墨烯结构的新型类石墨烯材料，使其在橡胶基体中有效分散，增大与橡胶基体的接触面积，达到更好的结合效果，可以有效的增加补强效果。

实验采用的新型类纳米碳材料SG3-G是依据化学热力学原理，在一定温度的水环境下，利用材料的电效应、缺陷结构、层间范德华力特性解离剥离晶体层，切断材料平面键合力，并且能够以较低的能耗进行大量制备。同时采用液相一步法包覆技术，科学解决纳米类材料的团聚和在橡 胶中的分散关键技术，实现在橡胶中的应用。

本文通过以不同的比例替代配方中炭黑N660，作为填充补强材料应用于硫化胶中，考察其硫化特性，力学性能及导热性能，探究SG3-G在SBR/POE共混胶体系中替代N660的可行性。

1 实验

1.1 主要原材料

SBR1502，中石化齐鲁石化公司；POE8150，美国陶氏化学；SG3-G，粒径1～10 um，中国建材-南方石墨研究院；炭黑N330、N660，卡博特公司；ZnO；SA等其他原材料均为市售。

1.2 主要仪器与设备

开放式炼胶机，X(S)K-160，上海双翼橡塑机械有限公司；橡塑试验密炼机，XSM-500，上海科创橡塑机械设备有限公司；无转子硫化仪，GTM2000-A，台湾高铁有限公司；平板硫化机，HS 1007-RTMO，深圳佳鑫电子设备科技有限公司；电子拉力机，I-7000S，台湾高铁有限公司 ；老化实验箱，GT-7017-M，台湾高铁有限公司；导热系数仪DTC-300，美国TA公司。

1.3 实验配方

基本配方(单位：份)：SBR1502 70，POE8150 30，硫化体系 5.3，氧化锌10，硬脂酸3，微晶蜡3，古马隆8，芳烃油6，N330 40，防老剂RD 2，防老剂4020 1，防老剂MB 1，N660和SG3为变量，具体用量如表1所示。

表1 N660和SG3用量变化实验配方 份

1.4 试样制备

在密炼机内按配方比例分别制备含有N660和SG3-G的母胶，母胶中不添加硫黄和促进剂，再按表1中的比例取两种母胶进行共混，在开炼机上加入硫黄和促进剂，混炼均匀后薄通下片，制成质量相同的5个试样。

胶片停放16 h后，通过无转子硫化仪在150 ℃测定试样的硫化曲线。

在平板硫化机上150 ℃×t90硫化试样。

1.5 性能测试

硫化性能：按GB/T 16584—2008测试。

拉伸性能：采用电子拉力试验机按照GB/T 528—2008进行测试，拉伸速度为500 mm/min，测试温度为室温；邵尔A硬度按照GB/T 531.1—2008进行测试。

门尼黏度：按照GB/T 1232—2008进行测试。

导热性能测试：导热系数仪DTC-300，测试温度60 ℃。

2 结果与讨论

2.1 N660/SG3并用量对胶料门尼黏度、硫化特性的影响

表2为纳米碳材用量对混炼胶门尼黏度、硫化特性等工艺性能的影响。

表2 不同用量SG3-G对胶料门尼黏度、硫化特性的影响

由表2可以看出，纳米碳材用量对胶料的硫化特性有着一定的影响，由图1，SG3-G的SEM图可看出其平均粒径较大，比表面积较小，结构度较小，二维片层结构使其在胶料中不易分散，使得填料与橡胶的物理吸附不足，物理交联程度低，故随着SG3-G替代量的增大，硫化仪扭矩差MH-ML略微降低，门尼黏度基本不变；此外，焦烧时间t10略有增大的趋势，t90基本不变。

图1 新型纳米碳材料聚集体SEM结构与形貌

2.2 SG3替代量对SBR/POE硫化胶的力学性能的影响

补强体系对硫化胶的力学性能影响较大，通过考察SG3-G对N660的替代量，研究SG3与N660补强效果的差异。表3为SG3-G用量对SBR/POE硫化胶力学性能的影响。

表3 SG3-G用量对硫化胶力学性能的影响

由图2可以看出，随着SG3-G用量的增大，胶料的硬度无明显变化，说明对于等份数的SG3-G与N660来说，SG3-G对于胶料的硬度贡献值和炭黑几乎一致。由图3，随着SG3-G替代量的增加，胶料的扯断伸长率先减小，再有所增加；胶料的拉断强度有所减小。如图5，硫化胶的50%、100%、200%、300%定伸应力基本不变，较大应变的500%定伸应力有所降低，而SG3-G替代N660份数为5份和10份之间各项性能差别不大。除此之外，由图4可知，随着SG3-G用量的增加，胶料的扯断永久变形率增加，胶料的弹性最差，而加入5份SG3-G时与原配方扯断永久变形率变化不大，能够保持良好的弹性，因此SG3-G代替N660 5～10份的胶料的力学性能均较佳。

图2 SG3-G用量对硫化胶硬度的影响

图3 SG3-G用量对硫化胶拉断强度和扯断伸长率的影响

图4 SG3-G用量对硫化胶扯断永久变形影响

图5 SG3-G用量对硫化胶定伸应力的影响

2.3 SG3替代量对SBR/POE硫化胶的导热性能的影响

由于SG3-G的特殊片层结构和组成，考察其替代量对硫化胶导热性能的影响，分别研究不同N660替代量的硫化胶在60 ℃时的导热系数，得到硫化胶的传热性能的变化。不同SG3-G用量的硫化胶的导热系数如表4。

表4 不同SG3-G替代量SBR/POE硫化胶在60 ℃时的导热系数

如表4，随SG3-G替代量的增加，硫化胶在60℃时导热系数有所增加，说明硫化胶的导热性能和热传导速度有所提高。

3 结论

通过试验研究，在SBR/POE硫化胶中，随新型纳米碳材SG3-G替代炭黑N660用量的增加：

（1）混炼胶的门尼黏度基本保持不变。

（2）硫化胶的MH-ML略微降低，焦烧时间t10略有增大的趋势，t90基本不变。

（3）硫化胶的扯断强度有所下降，扯断伸长率变化不大，扯断永久变形增大，硬度基本不变，较小应变下，应力变化不大，大应变下，应力下降。

（4）综合评定，在该配方中，当5～10份SG3-G替代N660时，该SBR/POE硫化胶力学性能性能较佳。

（5）硫化胶60 ℃的导热增大，导热性能提高。