一种含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料及制备方法技术

本发明专利技术属于石墨烯/橡胶纳米复合材料技术领域，涉及一种含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料及制备方法。所述纳米复合材料的组成包括氟橡胶、石墨烯、炭黑、碳纤维、吸酸剂、助交联剂、硫化剂和硅烷偶联剂，组成质量份数为氟橡胶100份，石墨烯0.1—15份，炭黑0.5—20份，碳纤维0.5—20份，氧化物或氢氧化物吸酸剂3—7份，过氧化物类或双酚类硫化剂2—5份，助交联剂0.2‑7份，硅烷偶联剂0.5‑5份，本发明专利技术采用球磨法对石墨烯进行预分散处理，提高了其在氟橡胶中的分散性，有效提高了氟橡胶的抗冲蚀性能，与未加入石墨烯的氟橡胶相比，冲蚀损耗降低了62％，与未进行预分散处理，直接加入石墨烯的氟橡胶相比，冲蚀损耗进一步降低了43％，抗冲蚀性能显著提高。

An anti erosion fluorine rubber nanocomposite containing graphene and its preparation method

The invention belongs to the technical field of graphene / rubber nanocomposite, and relates to an anti erosion fluorine rubber nanocomposite containing graphene and a preparation method. The nano composite materials including fluorine rubber, graphene, carbon black, carbon fiber, acid absorbing agent, cross-linking agent, curing agent and silane coupling agent, mass fraction is composed of fluorine rubber 100, graphene 0.1 - 15, 0.5 - 20 carbon black, carbon fiber 0.5 - 20. Oxide or hydroxide acid absorbing agent 3 - 7, peroxide type or bisphenol type curing agent 2 - 5, crosslinking agent 0.2 7 copies, 5 copies of the 0.5 silane coupling agent, the invention adopts ball milling method to graphene pre dispersing, improve the dispersion of the fluorine rubber, effective to improve the anti erosion performance of fluorine rubber, fluorine rubber was compared with the addition of graphene, the erosion loss is reduced by 62%, with no pre dispersing, compared with fluorine rubber directly into graphene, erosion loss is further reduced by 43%, significantly improve the anti erosion performance.

【技术实现步骤摘要】
一种含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料及制备方法
本专利技术属于石墨烯/橡胶纳米复合材料
，涉及一种含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料及制备方法。
技术介绍
冲蚀是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象。抗冲蚀材料广泛应用于航空、航天、船舶、基础设施及生物工程等领域。树脂基复合材料因其比强度和比刚度高、质量轻、耐磨性和耐腐蚀性好等特点成为抗冲蚀材料的主力军，但是树脂基复合材料一直存在内应力大、质脆、耐冲击性差等缺点，无法耐受风沙、碎冰、盐雾湿气及其他颗粒的冲蚀，严重影响使用寿命。目前在冲蚀领域，橡胶材料的使用主要集中在液体橡胶/树脂复合材料上，将橡胶作为独立耐冲蚀层的使用少之又少。但是与树脂基复合材料相比较，橡胶的优势也比较突出，其柔韧性更好，在受到冲击时，与基体材料的模量匹配性更好，可以在较大限度内发生柔性变形，消耗冲击能量，而由于氟橡胶具有优异的耐候性和耐腐蚀性成为本项目的首选材料。但是橡胶需要填加补强填料进行补强，其中提高橡胶耐磨损性能较好且应用较多的填料主要有石墨和二硫化钼等，其中石墨需要大量填加才能有效减磨，而二硫化钼则会在提高耐磨性能的同时损害橡胶的力学性能。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2630m2g-1，以及大于1000的纵横比，同时具备超高的导热率(3000-5000Wm-1K-1)及导电性(200000cm2V-1s-1)，这些预示着石墨烯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。中国专利CN105199159A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6-9h，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。该方法操作过程繁复，且工艺稳定性不好。中国专利CN104558727A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CN105694130A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。该方法中多个步骤引入其它溶剂，难以彻底清除，影响复合材料综合性能，且工艺复杂，工程化难度大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种工艺稳定性好、石墨烯分散性较好且工艺简单，易于实现工程化的含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料及制造方法。本专利技术的技术解决方案是，所述纳米复合材料的组成包括氟橡胶、石墨烯、炭黑、碳纤维、吸酸剂、助交联剂、硫化剂和硅烷偶联剂，组成质量份数为氟橡胶100份，石墨烯0.1—15份，炭黑0.5—20份，碳纤维0.5—20份，氧化物或氢氧化物吸酸剂3—7份，过氧化物类或双酚类硫化剂2—5份，助交联剂0.2-7份，硅烷偶联剂0.5-5份，所述的含石墨烯的抗冲蚀性氟橡胶采用以下方法制备：(1)按照质量份数比将石墨烯、炭黑与碳纤维放入球磨机中，按球料比为3:1称取球磨介质，所述的球磨介质为三种不同规格的球磨介质，加入无水乙醇，使无水乙醇没过石墨烯、炭黑和碳纤维混合物，加盖密封并打开冷却循环按钮，温度设置为10℃，球磨机的公转转速为200-400r/min，球磨机的自转转速为500-800r/min，研磨0.5-4h，配制硅烷偶联剂乙醇溶液，浓度为0.5％-5％，然后将配好的硅烷偶联剂乙醇溶液填加到球磨机中，关掉冷却循环水继续研磨0.5-2h，然后在不高于80℃的环境下进行干燥，得到混合好的石墨烯/炭黑/碳纤维混合粉体；(2)将氟橡胶、混合后的石墨烯/炭黑/碳纤维混合粉体、氧化物或氢氧化物吸酸剂共同加入密炼机中，在60—90℃下密炼10—80min，得到共混物；(3)在两辊炼胶机上将步骤(2)得到的共混物与硫化剂和助交联剂混炼均匀，得到纳米复合材料共混物；(4)步骤(3)得到的纳米复合材料共混物根据硫化剂的种类进行高温硫化，得到含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料。所述的氟橡胶为以C-C键为主链，主链和侧链碳原子上含有氟原子的高分子聚合物，氟含量为60—72％，或为主链或侧链碳原子上含有氟原子的高分子聚合物。所述的石墨烯为多层片状石墨烯，直径1—10微米，层数为2—50层。所述的碳黑为热裂解法炭黑。所述的碳纤维为短切碳纤维。所述的吸酸剂为氧化镁、氧化锌中的一种或两种的混合物。本专利技术具有的优点和有益效果，本专利技术采用球磨法对石墨烯进行预分散处理，提高了其在氟橡胶中的分散性，有效提高了氟橡胶的抗冲蚀性能，与未加入石墨烯的氟橡胶相比，冲蚀损耗降低了62％，与未进行预分散处理，直接加入石墨烯的氟橡胶相比，冲蚀损耗进一步降低了43％，抗冲蚀性能显著提高。这是由于石墨烯优异的力学性能、极高的比表面积以及在纳米尺寸上有折皱的拓扑结构，使其与橡胶有更大的接触面积，更强的结合力，从而有效提高橡胶强度并且保持了橡胶本身的高柔韧性，氟橡胶的冲蚀属于韧性冲蚀行为，在大冲击角时，材料在接触点处首先产生弹性变形，橡胶材料的高强度和高韧性使其在抵抗冲蚀的同时，与复合材料保持着很好的模量匹配性，能够最大限度的发生柔性变形，消耗冲击能量，提高耐冲蚀性；经过反复冲击后，其亚表面层会出现裂纹，而研究表明石墨烯加入可以增大橡胶裂纹尖端的结晶度和结晶区域，材料裂纹尖端的结晶阻碍了裂纹扩展，促使裂纹支化，增大了裂纹扩展的能量耗散，从而有效增强材料抗裂纹扩展能力，有利于进一步提高材料的耐冲蚀能力。但是由于氟橡胶独特的分子结构、高门尼粘度的特点，在与石墨烯等材料实现纳米复合时存在很高的技术难度。本专利技术采用行星式球磨机对粉料进行预分散处理，通过球磨石墨烯、炭黑和碳纤维三种不同结构形态的碳系填料互相穿插，在保证石墨烯片层结构的同时，有效抑制了填料自身的聚集，提高了其分散度，且实现了较好的协同作用。此外本专利技术采用机械式分散及混炼方法，操作简单，工艺稳定性好，便于工程化生产。本专利技术提高了氟橡胶的抗冲蚀性能、导热性和力学强度，降低了表面摩擦系数，提高了氟橡胶的综合性能。本专利技术实现了石墨烯在氟橡胶基体内的均匀混合，进一步降低冲蚀损耗，提高了氟橡胶的抗冲蚀性能，同时能够提高橡胶的导热性，降低摩擦系数。具体实施方式所述纳米复合材料以氟橡胶为基体，加入石墨烯、炭黑、碳纤维、吸酸剂、助交联剂、硫化剂和硅烷偶联剂，组成质量份数为氟橡胶100份，石墨烯0.1—15份，炭黑0.5—20份，碳纤维0.5—20份，氧化物或氢氧化物吸酸剂3—7份，过氧化物类或双酚类硫化剂2—5份，助交联剂0.2-7份，硅烷偶联剂0.5-5份。所述的氟橡胶为以C-C键为主链，主链和侧链碳原子上含有氟原子的高分子聚合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料，其特征在于：所述纳米复合材料的组成包括氟橡胶、石墨烯、炭黑、碳纤维、吸酸剂、助交联剂、硫化剂和硅烷偶联剂，组成质量份数为氟橡胶100份，石墨烯0.1—15份，炭黑0.5—20份，碳纤维0.5—20份，氧化物或氢氧化物吸酸剂3—7份，过氧化物类或双酚类硫化剂2—5份，助交联剂0.2‑7份，硅烷偶联剂0.5‑5份，所述的含石墨烯的抗冲蚀性氟橡胶采用以下方法制备：(1)按照质量份数比将石墨烯、炭黑与碳纤维放入球磨机中，按球料比为3:1称取球磨介质，所述的球磨介质为三种不同规格的球磨介质，加入无水乙醇，使无水乙醇没过石墨烯、炭黑和碳纤维混合物，加盖密封并打开冷却循环按钮，温度设置为10℃，球磨机的公转转速为200‑400r/min，球磨机的自转转速为500‑800r/min，研磨0.5‑4h，配制硅烷偶联剂乙醇溶液，浓度为0.5％‑5％，然后将配好的硅烷偶联剂乙醇溶液填加到球磨机中，关掉冷却循环水继续研磨0.5‑2h，然后在不高于80℃的环境下进行干燥，得到混合好的石墨烯/炭黑/碳纤维混合粉体；(2)将氟橡胶、混合后的石墨烯/炭黑/碳纤维混合粉体、氧化物或氢氧化物吸酸剂共同加入密炼机中，在60—90℃下密炼10—80min，得到共混物；(3)在两辊炼胶机上将步骤(2)得到的共混物与硫化剂和助交联剂混炼均匀，得到纳米复合材料共混物；(4)步骤(3)得到的纳米复合材料共混物根据硫化剂的种类进行高温硫化，得到含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种含石墨烯的抗冲蚀氟橡胶纳米复合材料，其特征在于：所述纳米复合材料的组成包括氟橡胶、石墨烯、炭黑、碳纤维、吸酸剂、助交联剂、硫化剂和硅烷偶联剂，组成质量份数为氟橡胶100份，石墨烯0.1—15份，炭黑0.5—20份，碳纤维0.5—20份，氧化物或氢氧化物吸酸剂3—7份，过氧化物类或双酚类硫化剂2—5份，助交联剂0.2-7份，硅烷偶联剂0.5-5份，所述的含石墨烯的抗冲蚀性氟橡胶采用以下方法制备：(1)按照质量份数比将石墨烯、炭黑与碳纤维放入球磨机中，按球料比为3:1称取球磨介质，所述的球磨介质为三种不同规格的球磨介质，加入无水乙醇，使无水乙醇没过石墨烯、炭黑和碳纤维混合物，加盖密封并打开冷却循环按钮，温度设置为10℃，球磨机的公转转速为200-400r/min，球磨机的自转转速为500-800r/min，研磨0.5-4h，配制硅烷偶联剂乙醇溶液，浓度为0.5％-5％，然后将配好的硅烷偶联剂乙醇溶液填加到球磨机中，关掉冷却循环水继续研磨0.5-2h，然后在不高于80℃的环境下进行干燥，得到混合好的石墨烯/炭黑/碳纤维混合粉体；(2)将氟橡胶、混合后的石墨烯/炭黑/碳纤维混合粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珊，苏正涛，蒋洪罡，赖亮庆，黄艳华，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11