[发明专利]一种含石墨烯的氢化丁腈橡胶纳米复合材料及制备方法

说明书

本发明属于橡胶材料技术领域，涉及一种含石墨烯的氢化丁腈橡胶纳米复合材料及制备方法。本发明含石墨烯的氢化丁腈橡胶纳米复合材料是氢化丁腈橡胶生胶、炭黑、石墨烯/碳纳米管石蜡油、防老剂、助交联剂和硫化剂的混合物。本发明的一种含石墨烯的氢化丁腈橡胶纳米复合材料极大的提高了氢化丁腈橡胶的高频损耗因子，改善了氢化丁腈橡胶材料的耐高频振动疲劳性能，并进一步提高了氢化丁腈橡胶的抗撕裂性能，具有传统填料无法比拟的优势。本发明工艺简单，成本低廉，易于实现工业化生产，且适应面广，具有较好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于橡胶材料技术领域，涉及一种含石墨烯的氢化丁腈橡胶纳米复合材料及制备方法。

背景技术

氢化丁腈橡胶(HNBR)是在丁腈橡胶(NBR)基础上于20世纪80年代开发的新型橡胶材料，是可以与氟橡胶媲美的新一代胶种。由于HNBR具有高度饱和性，因而在继承了NBR耐油性等优点的同时，还具有优异的耐热性、耐高压性、耐水蒸气及耐酸性汽油等腐蚀性介质的特点，尤为突出的是耐臭氧老化性能，而且其耐硫化氢性能是其他耐油橡胶无法比拟的。与此同时，HNBR分子具有较高的规整度，因此具有优异的拉伸强度和良好的耐磨性能。HNBR的优异性能满足了新型航空装备对橡胶密封材料的更高要求，HNBR橡胶制品也常常应用于航空发动机薄壁结构件的阻尼减振控制。HNBR生胶具有弹性及黏性，但是不经过加工和硫化一般无法直接使用。因此，需要对HNBR进行改性加工，以达到所需的力学性能和特殊的功能。

石墨烯是一种碳原子以sp2杂化排列的单原子层呈六角环形蜂窝状排布的片状二维晶体，石墨烯在平面内有无限重复的周期结构，在垂直于平面的方向只有纳米尺度，理论厚度只有0.335nm，是具有宏观尺度的纳米填料。石墨烯模量可高达1TPa，强度达130GPa，比表面积可达2630m2.g-1，以及大于1000的纵横比，同时具备超高的导热率(3000～5000W.m-1.K-1)及导电性(200000cm2.V-1.s-1)。碳纳米管是一种主要由碳六边形组成的单层或多层纳米级管状材料，由于碳纳米管是由最强的碳碳共价键结合而成，因此具有非常高的强度，同时还具有很高的韧性、硬度和导电性能。这些预示着石墨烯和碳纳米管对高分子材料高效增强及功能化方向具有很大的潜在优势。利用石墨烯和碳纳米管优异的物理机械性能可为橡胶基质提供良好的增强性能并提高其抗疲劳性能，其独特之处在于石墨烯和碳纳米管在基质中形成的填充网络可将材料中积聚的热迅速散失，从而降低橡胶制品的热疲劳损失，延长其使用寿命，碳纳米管特殊的管状石墨结构以及大的长径比(大于1000)有利于提高橡胶的抗撕裂性和耐磨性。由于石墨烯和碳纳米管的结构与尺寸特性，简单的机械共混很难将石墨烯和碳纳米管均匀分散在橡胶基体中，石墨烯和碳纳米管增强橡胶的优势很难发挥出来。因此，为提高石墨烯和碳纳米管增强橡胶的效果，必须解决石墨烯和碳纳米管的分散均匀性问题。通过石墨烯和碳纳米管表面修饰改性或利用相容剂通过机械共混的方法，改善石墨烯和碳纳米管与橡胶基体的相互作用，是提高石墨烯和碳纳米管分散性的一种有效途径。中国专利CN105199159 A公开了一种接枝石墨烯阻燃橡胶的制备方法，其中接枝石墨烯的制备方法是首先将分子筛和KH550以及甲苯溶液在水浴中加热搅拌6h～9h，所得产物用甲苯离心洗涤得到分子筛，然后将石墨烯在蒸馏水中溶解，在碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺溶液中进行表面活化，再加入分子筛进行表面接枝，最后加入水合肼进行原位还原。然后用其制备接枝石墨烯阻燃橡胶。中国专利CN 104558727 A公开了一种氧化石墨烯-环氧化丁苯橡胶复合物的制备方法，通过机械混炼法未经预分散处理的石墨烯与橡胶在50℃～110℃范围内进行捏合，石墨烯分散性较差。中国专利CN 105694130 A公开了一种石墨烯/天然橡胶纳米复合材料的制备方法，通过溶液铺膜法制备了氧化石墨烯/天然橡胶纳米复合材料，然后采用氢碘酸对复合材料中的氧化石墨烯进行原位还原，再用碳酸氢钠水溶液除去残余的氢碘酸，用去离子水清洗数次，干燥。中国专利CN101381483A公开了一种利用环氧化天然橡胶改善天然橡胶与碳纳米管之间的结合；中国专利CN1554693A公开了一种利用液体丁腈橡胶或液体羧基丁腈橡胶制备母胶，然后将母胶和氢化丁腈橡胶混炼制备碳纳米管改性氢化丁腈橡胶的方法；这些现有技术方法普遍存在着工艺过程复杂，且工艺稳定性不好，制备的产品质量难以达到要求，应用范围受限，工程化难度大等缺点。