碳纳米管/硅橡胶复合材料的阻尼性能研究

程卫平 周传忠 史朝龙 田雨

摘 要：将碳纳米管（CNTs）作为阻尼填料添加到阻尼硅橡胶中，研究表明CNTs可以在保证硅橡胶力学强度的同时，不大幅改变硅橡胶模量，同时提高硅橡胶的损耗因子，添加CNTs的硅橡胶在-70～20℃范围内损耗因子提升了20%，而硅橡胶-30℃下的弹性模量仅仅从20MPa变化到了24MPa。

关键词：碳纳米管;损耗因子;弹性模量;阻尼橡胶

在硅橡胶中添加无机填料提高硅橡胶损耗因子的方法简便易行，目前，关于CNTs对热硫化硅橡胶阻尼性能影响的研究还较少。以CNTs为无机填充剂制备的CNTs/硅橡胶复合材料，在提高硅橡胶的阻尼性能的同时，又不会对硅橡胶基体的玻璃化转变产生影响，又可以保证基体本身的恒模量特性。[1]有望通过碳纳米管/硅橡胶复合材料结合基体和填料的优点，从而制备出兼具有良好力学性能，阻尼性能的新型材料。本文在自制阻尼硅橡胶的基础上，继续制备了CNTs/硅橡胶复合材料，研究了CNTs对硅橡胶物理机械性能、动态力学性能的影响。

1 实验

1.1 实验原料及仪器

阻尼硅橡胶，自制;多壁碳纳米管（工业级），Φ150nm，长度6—8μm;气相法白炭黑（工业级）;过氧化二异丙苯（DCP），分析纯。

1.2 实验部分

在双辊开炼机上加入100g阻尼硅橡胶，按照表1中的基本配方，加入一定量的硫化剂及碳纳米管，薄通3～5次，打卷3～5次，下片，用裁刀裁成相应形状后放入模具和平板硫化机中，硫化温度为150℃，硫化时间按照依照无转子硫化仪测定的正硫化时间。

1.3 测试分析

场发射电镜扫描采，样品在液氮中脆断，断面喷金处理。邵氏硬度测试，按照GB/T531.1-2008测试。拉伸应力应变性能按照GB/T528-2009测试，撕裂强度按照GB/T529-2008测试。

动态力学测试，测试方法为压缩模式，样品规格为φ10*10圆柱，温度范围-70～150℃，测试频率为125Hz，升温速率为3℃/min，静压缩量为5%，振幅30μm。

2 结果与分析

2.1 微观形貌

采用SEM观察了碳纳米管/硅橡胶复合材料的微观形貌，如图1是碳纳米管（CNTs）填充量分别为0、5、10份下的扫描电镜照片，图1（a）中，散落分布的白色颗粒为白炭黑，白炭黑均匀分布在硅橡胶基体中，表明白炭黑在硅橡胶中具有良好的分散性和相容性。同时表面还存在一些凹坑，这可能是由于凹坑内团聚的白炭黑留在了另一部分基体当中

而加入CNTs的硅橡胶表面形貌则出现了明显的变化，图1（b）和（c）中，都出现了许多白色棒状的碳纳米管，碳纳米管长度最长可达几个微米，而直径则在200纳米左右。可以看到碳纳米管一部分埋入硅橡胶内部，另一部分露出基体表面，存在从基体中拔出的现象，表明同硅橡胶的相互作用较弱，CNTs在硅橡胶中散布较为均匀，基本没有出现团聚的现象。

2.2 碳纳米管对硅橡胶物理机械性能的影响

随CNTs用量上升，硅橡胶拉断伸长率下降、拉断永久变形上升，当CNTs用量为5份时，硅橡胶硬度上升了3、拉伸强度从8.19MPa下降到7.97MPa，而撕裂强度则变化不大，當CNTs用量为增加到10份时，硅橡胶拉伸强度仍能保持在785MPa，CNTs无法使硅橡胶的拉伸强度进一步上升，主要原因可能是CNTs表面未进行过改性，因而与硅橡胶基体间相互作用太小，当硅橡胶受到外力时，碳纳米管轻易地就从硅橡胶基体中脱离出来，没有起到补强的效果。

2.3 碳纳米管对硅橡胶动态力学性能的影响

随碳纳米管用量的增加，硅橡胶损耗因子上升，CNTs添加量为5份时，硅橡胶在-70～20℃范围内损耗因子提升了20%。损耗因子的提升来源于CNTs在硅橡胶变形过程中和硅橡胶基体发生界面摩擦作用引起了能量耗散。而CNTs本身的损耗因子没有硅橡胶高，继续添加碳纳米管后，CNTs/硅橡胶复合材料中硅橡胶所占比例降低，硅橡胶在高温下的损耗因子继续上升，而在低温下损耗因子的提升不明显。如图2所示。

从图3中可以看出碳纳米管对硅橡胶模量的影响很小，硅橡胶-30℃下的弹性模量仅仅从20MPa变化到了24Mpa，这表明碳纳米管这种无机填料可以在不明显改变硅橡胶模量的情况下，提高硅橡胶的损耗因子，这一点与白炭黑对硅橡胶模量的影响有明显差异。CNTs与白炭黑对硅橡胶差别在于同硅橡胶的结合力不同，CNTs同硅橡胶结合力较弱，不会同硅橡胶形成填料网络结构，因此随CNTs用量增加，硅橡胶整体模量变化不大。

3 结论

研究发现，CNTs在硅橡胶基体中分散均匀，未发生团聚现象，随着CNTs用量增加，硅橡胶的拉伸强度小幅下降。但是CNTs可以在保证硅橡胶准恒模量的前提下提高硅橡胶的阻尼性能，并且对硅橡胶本身的物理机械性能不会产生大的负面作用。

参考文献：

[1]Nadeem I，Mohammad B，Sadia S，et al.Fabrication and characterization of multiwalled carbon nanotubes/silicone rubber composites[J].Journal of Applied Polymer Science，2013，128（4）：2439-2446.