CN107266753B - 高拉伸强度、高耐磨性石墨烯／橡胶复合雨刮条及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法，属于橡胶类聚合物复合材料制备技术及汽车配件产品领域。按重量份数计，采用下述组分：100份橡胶、0.5～5份石墨烯、1～5份分散剂、2～6份硫化剂、10～50份炭黑、1～5份硬脂酸、3～6份氧化锌、0.5～3份促进剂和0.5～3份防老剂。先将橡胶塑炼，在加料混炼过程中将石墨烯与其他填料一并加入橡胶中，最后通过硫化制得成品。与现有产品相比，本发明制备出的石墨烯复合雨刮条，具备较好的物理机械性能，以及具有优良的耐候、耐腐蚀等化学性能，提高其使用寿命。本发明具有原理科学，特点显著，无毒无害，性能优异，与现行的雨刮条生产的工艺匹配度高等优点。

Description

高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法，属于橡胶类聚合物复合材料制备技术及汽车配件产品领域。

背景技术

在汽车的总和中，雨刮器是个比较小的零部件。但是据国际驾驶安全调查显示：雨天驾车，由雨刮器老化引起的交通事故率比平常高出大约5倍。好的雨刮器其雨刮条必须具备耐热、耐寒、耐酸碱、抗腐蚀、低噪音、拨水性强、质软不刮伤挡风玻璃等特点，能使视野清晰。

石墨烯自被发现到现在，得到广泛关注。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化排列的单原子层二维晶体，呈六角环形片状体，形成蜂窝状晶体结构，它的厚度仅为一个碳原子，是目前世界上已知最薄、最坚硬、最具有韧性的材料。石墨烯具有很高的强度，碳原子之间的强大作用力使其成为目前力学强度已知最高的材料。它具有优异的力学性能、电性能、热性能等，石墨烯的加入使复合材料也拥有这些优异的性能。传统工艺中使用炭黑、碳纳米管等作为填料对橡胶材料进行补强，石墨烯的发现丰富碳基填料的种类，得到性能更为优异的复合材料。

橡胶材料是国民经济和高科技领域不可缺少、不可替代的关键材料之一，并广泛应用于众多领域。橡胶开发利用已经有100多年历史，随着航空器大功率和高速度化的不断发展和橡胶制品应用的多样化，以高承载、高阻尼和高可靠密封为代表的航空橡胶产品需要具有优异的抗静电性、导电性、气体阻隔性、耐介质性和高抗冲击性，这对橡胶材料提出更高的功能性需求。而石墨烯的加入有效地提升橡胶的力学性能、电性能、热性能、耐腐蚀性能和耐候等性能，扩大其应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法，该方法通过石墨烯改性橡胶，使橡胶具有优异的力学性能、电性能、热性能、耐腐蚀性能和耐候等性能，再将其应用到雨刮条中，解决目前雨刮条较硬、耐候性差、易老化等缺点，提高其使用寿命以及对挡风玻璃的保护。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：

一种高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条，按重量份数计，由下述组分经过混炼、热压和硫化成型制成，100份橡胶、0.5～5份石墨烯、1～5份分散剂、2～6份硫化剂、10～50份炭黑、1～5份硬脂酸、3～6份氧化锌、0.5～3份促进剂和0.5～3份防老剂。

所述的高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条，橡胶选用是氯丁橡胶、天然橡胶、丁基橡胶中的一种或两种并用胶。

所述的高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条，石墨烯为石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯、氧化氟化石墨烯、氮掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯的一种或两种以上混合。

所述的高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条，石墨烯层数为2～10层。

所述的高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条，石墨烯片径大小为4～500nm。

所述的高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；

步骤2，将石墨烯、分散剂加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；

步骤3，依次加入炭黑、硬脂酸、氧化锌、防老剂、促进剂和硫化剂混炼4～10分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放20～30小时；

步骤4，将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置20～30小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。

本发明的优点与有益效果是：

1、本发明遵循原有的橡胶加工工艺，通过石墨烯改性橡胶解决传统的橡胶制品不耐候、不经用、耐摩擦性能低、容易龟裂、拉伸强度差等缺点，使橡胶在力学性能，电、热性能以及耐腐蚀性能和耐候性能上有巨大提高。再将其应用到雨刮条中，解决目前雨刮条较硬、耐候性差、易老化等缺点，提高其使用寿命以及对挡风玻璃的保护。

2、与现有产品相比，本发明制备出的石墨烯复合雨刮条，具备较好的物理机械性能，以及具有优良的耐候、耐腐蚀等化学性能，提高其使用寿命。本发明具有原理科学，特点显著，无毒无害，性能优异，与现行的雨刮条生产的工艺匹配度高等优点。

附图说明

图1为石墨烯添加量对橡胶拉伸强度的影响关系图。

图2为石墨烯添加量对橡胶邵式硬度的影响关系图。

图3为石墨烯添加量对橡胶断裂伸长率的影响关系图。

图4为石墨烯添加量对橡胶100％定伸应力的影响关系图。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明针对原有的橡胶配方，在混炼的过程中将具有优异性能的石墨烯添加入橡胶中，在硫化过程中橡胶链之间的交联作用与石墨烯相结合，使橡胶具有优异性能。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

本实施例中，高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法如下：

先将100份氯丁橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；再将0.5份石墨烯、1份乙烯基双硬酯酰胺加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；然后依次加入炭黑40份、硬脂酸1份、氧化锌3份、1份防老剂D、0.5份促进剂NA-22和氧化镁2份混炼8分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放24小时；最后将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置24小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。

本实施例中，石墨烯/橡胶复合材料雨刮条的技术指标如下：其拉伸强度可达到19.516MPa，邵氏硬度为62A，断裂伸长率可达397.808％，100％定伸应力为3.603MPa，通过测试发现其耐磨性具有明显提升，并且雨刮条与玻璃之间具有较好的润滑性。

实施例2：

本实施例中，高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法如下：

先将100份天然橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；再将1份石墨烯、1份硬脂酰胺加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；然后依次加入炭黑30份、硬脂酸2份、氧化锌3份、1份防老剂4010NA、1份促进剂M和硫磺3份混炼5分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放24小时；最后将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置24小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。

本实施例中，石墨烯/橡胶复合材料雨刮条的技术指标如下：其拉伸强度可达到22.432MPa，邵氏硬度为63A，断裂伸长率可达427.248％，100％定伸应力为3.279MPa，通过测试发现其耐磨性具有明显提升，并且雨刮条与玻璃之间具有较好的润滑性。

实施例3：

本实施例中，高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法如下：

先将100份氯丁橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；再将2份石墨烯、1份乙烯基双硬酯酰胺加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；然后依次加入炭黑10份、硬脂酸4份、氧化锌4份、0.5份防老剂D、0.5份促进剂NA-22和三聚硫氰酸3份混炼10分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放24小时；最后将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置24小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。

本实施例中，石墨烯/橡胶复合材料雨刮条的技术指标如下：其拉伸强度可达到22.462MPa，邵氏硬度为61A，断裂伸长率可达427.517％，100％定伸应力为2.826MPa，通过测试发现其耐磨性具有明显提升，并且雨刮条与玻璃之间具有较好的润滑性。

实施例4：

本实施例中，高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法如下：

先将100份氯丁橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；再将4份石墨烯、2份硬脂酰胺加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；然后依次加入炭黑20份、硬脂酸4份、氧化锌5份、1份防老剂D、2份促进剂NA-22和氧化镁3份混炼5分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放24小时；最后将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置24小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。

本实施例中，石墨烯/橡胶复合材料雨刮条的技术指标如下：其拉伸强度可达到24.658MPa，邵氏硬度为61A，断裂伸长率可达442.526％，100％定伸应力为2.426MPa，通过测试发现其耐磨性具有明显提升，并且雨刮条与玻璃之间具有较好的润滑性。

实施例5：

本实施例中，高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法如下：

先将100份天然橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；再将5份石墨烯、4份硬脂酰胺加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；然后依次加入炭黑30份、硬脂酸4份、氧化锌5份、2份防老剂4010NA、3份促进剂M和硫磺3份混炼8分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放24小时；最后将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置24小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。

本实施例中，石墨烯/橡胶复合材料雨刮条的技术指标如下：其拉伸强度可达到23.642MPa，邵氏硬度为62A，断裂伸长率可达388.43％，100％定伸应力为3.432MPa，通过测试发现其耐磨性具有明显提升，并且雨刮条与玻璃之间具有较好的润滑性。

实施例6：

本实施例中，高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条及制备方法如下：

先将100份氯丁橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；再将3份石墨烯、2份乙烯基双硬酯酰胺加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；然后依次加入炭黑40份、硬脂酸1份、氧化锌5份、2份防老剂D、2份促进剂NA-22和硫磺2份混炼10分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放24小时；最后将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置24小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。

本实施例中，石墨烯/橡胶复合材料雨刮条的技术指标如下：其拉伸强度可达到24.763MPa，邵氏硬度为60A，断裂伸长率可达483.663％，100％定伸应力为2.757Pa，通过测试发现其耐磨性具有明显提升，并且雨刮条与玻璃之间具有较好的润滑性。

图1为石墨烯添加量对橡胶拉伸强度的影响，从图1可以看出没加石墨烯的橡胶拉伸强度较低，加入1份少量石墨烯其拉伸强度就有明显的提升，而随着石墨烯添加量增加橡胶的拉伸强度也随之增高，这对雨刮条的力学性能是有明显的提升；

图2为石墨烯添加量对橡胶硬度的影响，从图2可以看出随着石墨烯添加量增加橡胶的硬度也随之降低并有趋于平缓的趋势，橡胶的柔软度对雨刮条是一个很重要的性能，胶条太硬会对玻璃有损害，胶条太软又不容易擦干玻璃，因此一个适中的硬度对雨刮条来说是非常重要的，因此通过控制石墨烯的添加量可以改善这个问题；

图3为石墨烯添加量对橡胶断裂伸长率的影响，图4为石墨烯添加量对橡胶100％定伸应力的影响，从图3可以看出随着石墨烯添加量提高橡胶的断裂伸长率显著提高，而从图4可以看出没加石墨烯的橡胶，在拉伸到初始长度1倍时，所需应力为3.626MPa；当石墨烯添加量为5份时，所需应力仅为1.355MPa，图3和图4可以说明随着石墨烯添加橡胶的韧性有明显的提升。

实施例结果表明，本发明将石墨烯分散在橡胶中，以获得良好物理和机械性能，如：硬度、模量和拉伸强度，同时应用到汽车产品雨刮条中。先将橡胶塑炼，在加料混炼过程中将石墨烯与其他填料一并加入橡胶中，最后通过硫化制得成品。石墨烯/橡胶复合材料的制备对橡胶性能的提升以及橡胶应用领域的开发起着重要的作用，而石墨烯/橡胶复合材料应用到雨刮条中对汽车行业的提升以及对交通发展也有着很好的前景。

Claims (3)

1.一种高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条，其特征在于，按重量份数计，由下述组分经过混炼、热压和硫化成型制成，100份橡胶、0.5～5份石墨烯、氧化石墨烯、氟化石墨烯、氧化氟化石墨烯、氮掺杂石墨烯、硫掺杂石墨烯的一种或两种以上混合、1～5份分散剂、2～6份硫化剂、10～50份炭黑、1～5份硬脂酸、3～6份氧化锌、0.5～3份促进剂和0.5～3份防老剂；石墨烯层数为2～10层，石墨烯片径大小为4～500nm。

2.根据权利要求1所述的高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条，其特征在于，橡胶选用是氯丁橡胶、天然橡胶、丁基橡胶中的一种或两种并用胶。

3.一种权利要求1至2之一所述的高拉伸强度、高耐磨性石墨烯/橡胶复合雨刮条的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将橡胶放入开炼机，在转速为45～60r/min、室温下开炼2～5分钟；

步骤2，将石墨烯、分散剂加入开炼机中与橡胶进行混炼，使石墨烯在橡胶中分散均匀即可；

步骤3，依次加入炭黑、硬脂酸、氧化锌、防老剂、促进剂和硫化剂混炼4～10分钟，得到混炼胶；常温下将得到的混炼胶置于两辊开炼机上出片，在室温下停放20～30小时；

步骤4，将混炼胶放入模具中，通过平板硫化机硫化，硫化条件为150℃/10MPa×t90，在室温下放置20～30小时后，得到石墨烯/橡胶复合材料雨刮条。