CN110724321A - 一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料及其制备方法，按质量份数包括：丁腈橡胶80~100份、橡塑合金橡胶5~20份、石墨烯0.5~2.5份、偶联剂2~3份、氧化锌5~10份、硬脂酸1~1.5份、防老剂2~4份、防护蜡3~5份、补强填充剂30~45份、增塑剂5~10份、改性石油树脂3~8份、硫化剂1.5~2.5份、硫化促进剂1.8~3.5份；其中所述的石墨烯层数不多于5层。本发明提供的橡胶复合材料，丁腈橡胶中并用橡塑合金橡胶，提高橡胶复合材料的耐磨性和耐油性；通过对石墨烯改性，并制备成悬浮液，改善了石墨烯在橡胶中的分散效果，极大地改善了定子橡胶的耐磨耗性能、耐热性能，同时提升了物理机械性能，从而延长了定子橡胶的配套使用寿命；保证了石墨烯的混炼效果，材料性能优异且质量稳定。

Description

一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于橡胶材料技术领域，具体涉及一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料及其制备方法。
背景技术
自2004年石墨烯首次通过简单的“微机械剥离法”成功地从石墨中分离出，石墨烯的应用便得到了广泛的关注。
石墨烯是一种碳原子以SP2杂化排列的单原子层的二维晶体材料，也是结构最为简单的碳材料。常见的石墨材料可以看作由石墨烯层层堆叠而成，因此石墨烯也可以被视作“单层石墨”。它在很多方面具备超越现有材料的特性，如超高的力学性能( 目前力学强度已知最高的材料) 、高导热性能、高比表面积( 极限值可达 2630 m2 /g) 和高阻隔性能、良好的耐磨性、动态使用性能等，石墨烯的加入使复合材料也拥有这些优异的性能。
螺杆泵因其具有结构简单、设备体积小，便于操作管理，并且设备价格低廉等独特的优势，广泛的用于输送各类流体。大多数情况下螺杆泵用来输送含杂质的介质，其中的定子是以橡胶为材质，定子橡胶是螺杆泵至关重要的部件，也是最薄弱的部件，在输送过程中，泵运行时定子受到硬颗粒的切削作用，使定子产生极大的磨损，定子就出现裂纹、扩展直至破坏，从而缩短了螺杆泵的使用寿命，因此研究耐磨性优异的定子橡胶材料极为迫切。
石墨烯与橡胶材料进行复合，在提高橡胶材料的物理机械性能的同时必将大幅提升胶料的耐磨、导热以及耐热性能。但是目前国内的研究均表明：在实际生产过程中，石墨烯与橡胶较难分散，乳液共混和溶液共混较机械共混法的分散效果好，但机械共混法操作简单方便、适于批量生产，因此开发石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料及其制备方法具有较大的经济效益和实用价值。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料及其制备方法，该复合材料成本低、生产工艺切实可行，石墨烯的分散效果良好，材料性能优异并且质量稳定。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，按分数包括以下组成：
丁腈橡胶80~100份、橡塑合金橡胶5~20份、石墨烯0.5~2.5份、偶联剂2~3份、氧化锌5~10份、硬脂酸1~1.5份、防老剂2~4份、防护蜡3~5份、补强填充剂30~45份、增塑剂5~10份、改性石油树脂3~8份、硫化剂1.5~2.5份、硫化促进剂1.8~3.5份；其中所述的石墨烯层数不多于5层。
所述的丁腈橡胶，其丙烯腈含量为25~35%。
所述的橡塑合金橡胶，其PVC含量为30%，门尼黏度ML100℃1+4为45~60。
所述补强填充剂为N220、N330、DZ-13、SRF等炭黑中的一种或由N330、DZ-13和SRF并用；且30~45份补强填充剂中N330的质量分数占10~20份、DZ-13的质量份数占10~15份、SRF的质量分数占10~15份。
所述的增塑剂为351、95XP、TP-95、DHEH中的一种或几种任意比例的混合物。
所述的防老剂为4010、RD、BLE、445、7010中的一种或几种，或由防老剂445和防老剂4070组成，且2~4份防老剂中防老剂445的质量份数不低于1份。
所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和磷酸酯偶联剂中的任一种，进一步优选为硅烷偶联剂。
所述的硫化剂为过氧化二异丙苯（DCP）、2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷（双2，5）、硫磺、二硫代二吗啡啉（DTDM）、二硫化二乙基二苯基秋兰姆(TE)，中的一种或几种。其中硫化剂的质量份数为1.5~3份。
所述的硫化促进剂为TAC、TAIC、HVA-2、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺（CBS亦称CZ）、2-硫醇基苯并噻唑(MBT亦称M)中的一种或几种，其中优选促进剂CZ、促进剂DTDM、促进剂M组成，且1.8~3.5份硫化促进剂中促进剂CZ的质量份数占0.5~1.2份、促进剂的质量份数DTDM占0.8~1.5份、促进剂M的质量份数占0.5~0.8份。
一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料的制备方法包括以下步骤：
1）改性：称取一定量的硅烷偶联剂，对石墨烯进行表面改性处理；
2）分散：将改性后的石墨烯、增塑剂混合，超声10~20min，形成分散均匀的悬浮液；
3）混炼：首先调辊距至0.8~1.0mm，将已塑炼的丁腈橡胶压合，直至完全包辊、加入已塑炼的橡塑合金橡胶，至二者掺和均匀；依次加入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防护蜡，混炼均匀；辊距调至2.5~3mm，再加入改性石墨烯和增塑剂的悬浮液、补强填充剂，薄通5~7遍，出片，停放12小时以上；
（4）加硫：将停放后的母炼胶加入开炼机，至完全包辊，辊距保持1.0~1.5mm，加入硫化剂、硫化促进剂及改性石油树脂，薄通6~8遍，出片。
本发明的有益效果是：
通过对石墨烯改性，并制备成悬浮液，改善了石墨烯在橡胶中的分散效果，极大地改善了定子橡胶的耐磨耗性能、耐热性能，同时提升了物理机械性能，从而延长了定子橡胶的配套使用寿命；该生产方法属于机械共混法，防止了混炼过程中石墨烯的飞扬、损耗，极大程度的保证了石墨烯的混炼效果，简单易行，成本低，适于批量生产，且石墨烯分散效果良好，材料质量稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，配方包括下组成及其质量份数：N330炭黑10份、DZ-13 15份、 SRF炭黑10份、 氧化锌5份、硬脂酸1份、防老剂445 1.5份、防老剂4070 1.5份、防护蜡3份、偶联剂2份、石墨烯0.5份、DHEH 5份、改性石油树脂 3份、DCP 1.5份、硫磺0.3份、促进剂CZ 1份、促进剂DTDM 1.2份、促进剂M 0.8份；其中丁腈橡胶/橡塑合金橡胶分别以100/0、95/5、90/10、85/15、80/20的质量份数进行配比。
上述石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）改性：称取2份硅烷偶联剂，对0.5份石墨烯进行表面改性处理。
（2）分散：将改性后的石墨烯、DHEH 5份混合，超声10min，形成分散均匀的悬浮液。
（3）混炼：首先调辊距至0.8~1.0mm，按照上述比例（丁腈橡胶/橡塑合金橡胶为：100/0、95/5、90/10、85/15、80/20），将已塑炼的丁腈橡胶压合，直至完全包辊、加入已塑炼的橡塑合金橡胶，至二者掺和均匀；依次加入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防护蜡，混炼均匀；辊距调至2.5~3mm，再加入改性石墨烯和增塑剂的悬浮液、补强填充剂，薄通5~7遍，出片，停放12小时以上。
（4）加硫：将停放后的母炼胶加入开炼机，至完全包辊，辊距保持1.0~1.5mm，加入改性石油树脂 3份、DCP 1.5份、硫磺0.3份、促进剂CZ 1份、促进剂DTDM 1.5份、促进剂M0.8份，薄通6~8遍，出片。
将下片后的混炼胶装入模具中，在平板硫化机上硫化，硫化时间15min，硫化温度160℃，硫化压力9~12MPa，即得到石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料。对不同配比生胶所制备的橡胶材料，在其他组分不变和试验方法均按照国家标准执行的前提下，实验结果见表1：
表 1 丁腈橡胶/橡塑合金比例对橡胶材料性能的影响
丁腈橡胶/橡塑合金 拉伸强度/MPa 扯断伸长率/% 老化系数（125℃×48h） 阿克隆磨耗/cm<sup>3</sup>
100/0 15.0 360 0.70 0.23
95/5 15.2 395 0.72 0.20
90/10 15.5 405 0.73 0.19
85/15 16.0 430 0.73 0.18
80/20 16.3 452 0.74 0.18
实施例2
一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，配方包括下组成及其质量份数：丁腈橡胶 85份、橡塑合金橡胶 15份、N330炭黑10份、DZ-13 15份、 SRF炭黑10份、 氧化锌5份、硬脂酸1份、防老剂445 1.5份、防老剂4070 1.5份、防护蜡3份、偶联剂2.5份、DHEH 8份、改性石油树脂 5份、DCP 1.5份、硫磺0.3份、促进剂CZ 1份、促进剂DTDM 1.2份、促进剂M 0.8份；其中石墨烯的质量份数分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份。
上述石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料的制备方法，基本步骤同实施例1，其中不同之处在于本实施例的步骤（2）分散：将改性后的不同份数石墨烯（石墨烯的质量份数分别为：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5份）分别与DHEH 8份混合，并超声15min，形成分散均匀的悬浮液。
将下片后的混炼胶装入模具中，在平板硫化机上硫化，硫化时间15min，硫化温度160℃，硫化压力9~12MPa，即得到石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料。对不同配比生胶所制备的橡胶材料，在其他组分不变和试验方法均按照国家标准执行的前提下，实验结果见表2：
表 2 石墨烯用量对橡胶材料性能的影响
石墨烯/份 拉伸强度/MPa 扯断伸长率/% 导热系数w/m.k 阿克隆磨耗/cm<sup>3</sup>
0 14.3 378 0.144 0.21
0.5 16.8 435 0.169 0.16
1.0 18.1 415 0.187 0.12
1.5 19.6 452 0.221 0.088
2.0 18.7 403 0.210 0.093
实施例3
一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，配方包括下组成及其质量份数：丁腈橡胶 85份、橡塑合金橡胶 15份、N330炭黑10份、DZ-13 15份、 SRF炭黑10份、 氧化锌5份、硬脂酸1份、防老剂445 1.5份、防老剂4070 1.5份、防护蜡3份、偶联剂3份、石墨烯DHEH 10份、改性石油树脂 8份、DCP 1.5份、硫磺0.3份、促进剂CZ 1份、促进剂DTDM 1.2份、促进剂M 0.8份；其中硫化剂及促进剂DCP/S/CZ/DTDM/M的质量份数配比为:1.2/0.5/1.0/1.5/0.5、1.8/0.3/0.8/0.8/0.5。
上述石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料的制备方法，基本步骤同实施例1，其中不同之处在于本实施例的步骤（2）分散：将改性后的石墨烯、DHEH 5份混合，超声20min，形成分散均匀的悬浮液；步骤（4）加硫：将停放后的母炼胶加入开炼机，至完全包辊，辊距保持1.0~1.5mm，加入改性石油树脂 8份、按照上述配比分别加入硫化剂及促进剂（DCP/S/CZ/DTDM/M的质量份数为：1.2/0.5/1.0/1.5/0.5、1.8/0.3/0.8/0.8/0.5），薄通6~8遍，出片。
将下片后的混炼胶装入模具中，在平板硫化机上硫化，硫化时间15min，硫化温度160℃，硫化压力9~12MPa，即得到石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料。对不同配比生胶所制备的橡胶材料，在其他组分不变和试验方法均按照国家标准执行的前提下，实验结果见表3：
表 3 硫化体系对材料性能的影响
DCP/S/CZ/DTDM/M 拉伸强度/MPa 扯断伸长率/% 老化系数（125℃×48h） 阿克隆磨耗/cm<sup>3</sup>
1.2/0.5/1.0/1.2/0.5 20.6 455 0.80 0.072
1.8/0.3/0.8/0.8/0.5 20.1 412 0.81 0.079
实施例4
本实施例的石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料制备方法同实施例2，不同之处在于石墨烯的质量份数为1.5份，炭黑N330/DZ-13/SRF的质量份数配比为：15/15/15、20/10/15。
实施例5
本实施例的石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料制备方法同实施例2，不同之处在于石墨烯的质量份数为1.5份，防老剂445/4070的质量份数配比为：1.5/2.0、2.0/1.5。
实施例6
本实施例的石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料制备方法同实施例2，不同之处在于石墨烯的质量份数为2.0份，氧化锌的用量有所调整，从5%调整为8%和10%。
总之，本发明提供的石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料及其制备方法，提高了石墨烯在橡胶中的分散效果，极大地改善了定子橡胶的耐磨耗性能、耐热性能，同时提升了物理机械性能，从而延长了定子橡胶的配套使用寿命；生产操作流程简单易行，材料性能优异，产品质量稳定，具有较好的产业化价值。
本发明提供了一种思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不限制于以上描述的具体实施案例，对本发明进行的等同修改也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，按分数包括以下组成：
丁腈橡胶80~100份、橡塑合金橡胶5~20份、石墨烯0.5~2.5份、偶联剂2~3份、氧化锌5~10份、硬脂酸1~1.5份、防老剂2~4份、防护蜡3~5份、补强填充剂30~45份、增塑剂5~10份、改性石油树脂3~8份、硫化剂1.5~2.5份、硫化促进剂1.8~3.5份；其中所述的石墨烯层数不多于5层。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述的丁腈橡胶，其丙烯腈含量为25~35%。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述的橡塑合金橡胶，其PVC含量为30%，门尼黏度ML100℃1+4为45~60。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述补强填充剂为N220、N330、DZ-13、SRF等炭黑中的一种或由N330、DZ-13和SRF并用；且30~45份补强填充剂中N330的质量分数占10~20份、DZ-13的质量份数占10~15份、SRF的质量分数占10~15份。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述的增塑剂为351、95XP、TP-95、DHEH中的一种或几种任意比例的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述的防老剂为4010、RD、BLE、445、7010中的一种或几种，或由防老剂445和防老剂4070组成，且2~4份防老剂中防老剂445的质量份数不低于1份。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和磷酸酯偶联剂中的任一种，进一步优选为硅烷偶联剂。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述的硫化剂为过氧化二异丙苯（DCP）、2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)己烷（双2，5）、硫磺、二硫代二吗啡啉（DTDM）、二硫化二乙基二苯基秋兰姆(TE)，中的一种或几种，其中硫化剂的质量份数为1.5~3份。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料，其特征在于，所述的硫化促进剂为TAC、TAIC、HVA-2、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺（CBS亦称CZ）、2-硫醇基苯并噻唑(MBT亦称M)中的一种或几种，其中促进剂CZ、促进剂DTDM、促进剂M组成中1.8~3.5份硫化促进剂中促进剂CZ的质量份数占0.5~1.2份、促进剂的质量份数DTDM占0.8~1.5份、促进剂M的质量份数占0.5~0.8份。
10.一种石墨烯基耐磨定子橡胶复合材料的制备方法包括以下步骤：
1）改性：称取一定量的硅烷偶联剂，对石墨烯进行表面改性处理；
2）分散：将改性后的石墨烯、增塑剂混合，超声10~20min，形成分散均匀的悬浮液；
3）混炼：首先调辊距至0.8~1.0mm，将已塑炼的丁腈橡胶压合，直至完全包辊、加入已塑炼的橡塑合金橡胶，至二者掺和均匀；依次加入氧化锌、硬脂酸、防老剂、防护蜡，混炼均匀；辊距调至2.5~3mm，再加入改性石墨烯和增塑剂的悬浮液、补强填充剂，薄通5~7遍，出片，停放12小时以上；
（4）加硫：将停放后的母炼胶加入开炼机，至完全包辊，辊距保持1.0~1.5mm，加入硫化剂、硫化促进剂及改性石油树脂，薄通6~8遍，出片。
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