碳纳米管技术在提高输送带硫化效率的应用

2015-02-24徐玉海褚静宋静芳

橡塑技术与装备 2015年16期

关键词：输送带胶料碳纳米管

徐玉海，褚静，宋静芳

（阜新环宇橡胶（集团）有限公司，辽宁阜新 123000）

碳纳米管技术在提高输送带硫化效率的应用

Carbon nanotube technology in improving the eff ciencyof conveyor belt vulcanization

徐玉海，褚静，宋静芳

（阜新环宇橡胶（集团）有限公司，辽宁阜新 123000）

作为重要的纳米功能纤维，碳纳米管因其所具有的独特一维结构和纳米级尺寸以及高强度、高弹性和优异的导热性、电导性等性能，在化学、物理、材料等各个领域中都具有广阔的发展前景，而迅速成为世界范围内各国研究人员的关注焦点。本文主要就碳纳米管技术在输送带领域中的应用，对碳纳米管技术和输送带硫化技术进行了研究概述，分析探讨了碳纳米管技术在提高输送带硫化效率中的作用，希望能对这方面的相关研究提供一些参考价值。

碳纳米管；输送带；硫化效率

随着纳米科技的发展，纳米材料已成为多学科交叉研究的基础，在物理、化学、生物、能源等多个领域都得到了广泛的应用。各种纳米材料中，碳纳米管由于其独特的结构以及优异的电学、光学、力学和热稳定性能在科学界的研究中得到了长久的青睐。而由于现代工业的快速发展，各种类型物料的运输对输送带的安全性和稳定性以及数量种类都提出了更高的要求，碳纳米管在输送带中的应用不仅会大大提高输送带的硫化效率，也会提高输送带的其它方面性能，对我国输送带的发展有重要意义。

1 碳纳米管技术研究概述

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维纳米材料，主要由呈六边形的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成，其合成方法主要有四种方法：一是电弧蒸发法，是早期宏量制备碳纳米管的重要方法，主要是通过改变电弧放电的条件和氛围来实现单壁、双壁、多壁碳管的选择性制备；二是激光蒸发法，通过这种方法，可以得到高纯度、高结晶度的单壁碳纳米管；三是热处理法；四是化学气相沉积法，该方法可控性更强，可进行规模化生产，利用此种方法可合成各种特殊形貌的碳纳米管，其应用极大地推动了碳纳米管技术的发展。

虽然国内外已研发出了多种制备碳纳米管的方法，但碳纳米管的制备过程通常会出现碳纳米颗粒、金属催化剂和无定形碳等杂质，所以在实际中需要对碳纳米管做进一步纯化处理，其中对单壁和多壁碳纳米管的处理方法主要有氧化剂氧化、活性剂液相分散、酸化处理等，但双壁碳纳米管的提纯处理方法则有待研究。另外，对碳纳米管的化学修饰研究则主要集中于通过化学功能团的引入，来有效改善碳纳米管在特定环境下的溶解性。碳纳米管由于其优异的电学和力学性能使它在复合材料中得到了广泛的应用，特别是对碳纳米管与高分子复合材料的研究已成为目前科学界和产业界研究的主题之一。除高分子材料外，碳纳米管在金属、陶瓷等其它复合材料以及传感器、探针等领域中也得到了广泛的应用。

2 输送带硫化研究概述

“硫化”这一词是从最初的天然橡胶制品用硫磺作交联剂进行交联中而得名，硫化是橡胶加工中的最后一个工序，橡胶大分子在加热下与硫磺发生反应，交联成为立体网状结构，经过硫化后的橡胶被称为硫化胶。影响硫化过程的因素主要存在于以下几个方面。

（1）硫化温度，橡胶是不良导热体，其制品的硫化进程会因为各部位温度的差异而不同，为了保证硫化程度的均匀性，厚橡胶制品一般采用逐步升温、低温长时间硫化。

（2）硫磺用量，用量越多，硫化速度越快，硫化程度也越高，但硫磺在橡胶中的溶解度是有限的，硫磺过量就会产生喷硫现象。

（3）硫化时间，这一因素是硫化工艺中要特别注意的环节，硫化时间不能过长也不能过短，只有适宜的硫化程度，才能保证橡胶制品的最佳综合性能。

输送带的硫化过程一般分为四个阶段：第一阶段为硫化诱导期，这一阶段交联还未开始，胶料有很好的流动性，硫化诱导期时间的长短除与胶料本身性质相关外，还与其所用助剂有很大的关系，比如使用延迟性促进剂可增加胶料的焦烧时间与加工安全性；第二阶段为预硫化时期，该时期关联程度较低，硫化胶的弹性、扯断强度到后期也不能达到预想水平；第三阶段为正硫化时期，硫化胶的各项物理性能达到或接近最佳，各项性能达到综合平衡；第四阶段为过硫时期即硫化返原期，天然胶的定伸强度下降，多数合成胶定伸强度增加，在过硫阶段，若交联仍占强势，橡胶就会发硬，定伸强度继续增加。输送带硫化在整个工序中起着非常重要的作用，硫化过程中胶带硫化温度和时间应严格符合所用胶料的性能，并严格控制好不同阶段的硫化温度。

输送带的硫化主要有织物芯输送带的硫化、钢丝绳芯输送带的硫化等，其中织物芯输送带的硫化方式一般为平板硫化机硫化和鼓式硫化机硫化，国外有一种连续平板硫化装置，同时兼具平板硫化机和鼓式硫化机的特性。而钢丝绳芯输送带的生产方法则一般采用恒张力成型硫化法和低张力成型硫化法，其中主要方法为恒张力成型硫化法，在多个国家都得到了广泛的应用。

3 碳纳米管技术在输送带硫化中的应用

整体而言，虽说我国输送带在产量和品种上都能基本满足国内需求，也有部分进行出口，但与发达国家相比，输送带的品质还是存在着一定的差距，如使用寿命较短、产品档次低、规格系列不完全、测试手段不完善等等。为了解决这些问题，使我国的输送带工业朝着安全、环保、节能、节材的方向更好地发展，碳纳米管技术在输送带硫化中得到了广泛的应用，大大提高了输送带的硫化效率。

碳纳米管具有优美奇特的孔状几何结构，这种几何与电子结构使其集众多优点于一身，除了有极高的杨氏模量和极大的长径比外，它还具有抗拉强度高、导电率好等特性。通过在碳纳米管表面接枝极性基团，可极大地增大碳纳米管的极性，使其更易于分散到橡胶中。研究表明碳纳米管在输送带硫化中的用量增加，可适量提高硫化胶的硫化程度和交联程度。输送带硫化过程中，应用碳纳米管技术，胶料的焦烧时间基本保持不变，正硫化时间却呈现缩短趋势，硫化速度加快。大量研究也表明多壁碳纳米管经改性后，应用在输送带硫化过程中，其焦烧时间和正硫化时间提前了，硫化速率也提高了，这是因为改性后，原先碳纳米管的表面羟基转化了，从而导致碳纳米管的表面羧基结构减少，消耗较少的硫化促进剂，所以焦烧时间和正硫化时间略微提前。

碳纳米管其纳米粒子作为光催化剂，有着许多优点：粒径小、比表面积大、光催化效率高，其生成的电子、空穴在到达表面之前大部分不会重新结合，因此导致到达表面的数量多，化学反应活性很高，碳纳米管的成分纳米二氧化硅经改性后，可在橡胶中大量填充，混合后的胶料更易混炼，硫化速度大大加快，且工艺适应性非常好，能有效保持硫化橡胶的拉断强度，伸长保持率高。

另一成分纳米氧化锌因其团聚现象微小，分散效果很好，在输送带硫化过程中能极大提高硫化胶的交联程度，提高输送带的撕裂强度、拉伸强度等力学性能和耐老性能。另外碳纳米管技术在输送带的应用中要注意由于碳纳米管在橡胶溶液中会以块状团体的形式存在，且长度不均，所以原始碳纳米管在输送带应用中必须添加硫磺或其它助剂，这样有助于碳纳米管在橡胶溶液中的分散，有助于聚合物分子链对碳纳米管的附着。