天然橡胶石墨复合材料.docx
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天然橡胶石墨复合材料
天然橡胶/石墨复合材料的制备
专业：
高分子材料与工程
学生：
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指导老师：
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摘要：
随着时代的进步，科技日新月异，新材料的开发成为了现阶段
十分新型的发展领域，尤其以聚合物复合材料的发展尤为突出，在很多方面应用十分的广泛。
在某些特殊领域如航空、电子工业要求材料具有良好的力学、电学性能，聚合物基复合材料具有很多材料所具有的综合性能，而又加工简单，成本低廉，具有十分开阔的研究领域和良好的研究价值。
橡胶的应用尤为突出，作为一种新型材料，橡胶涉及到各行各业的发展，天然橡胶的改性成为这一时代研究的主题之一，本文主要论述的橡胶的力学性能的改性方面，特别是纳米材料对天然橡胶力学性能的改性，对橡胶力学性能的加强方面。
本文采用的是石墨和碳纳米管对天然橡胶的力学性能改性进行了研究实验，进而得出石墨和碳纳米管对天然橡胶力学性能改性程度的结论。
关键词；天然橡胶、硫化、膨胀石墨、力学性能、复合材料、开炼机、碳纳米管。
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Abstract：
WiththeprogressofTheTimes,scienceand
technologychangeswitheachnewday,thedevelopmentofnew
materialsbecomeofthepresentstageofdevelopmentisvery
newareas,especiallyinthedevelopmentofcompositematerial,
particularlyprominentinmanywaysitiswidespread
application.Insomespecialareassuchasair,electronic
industryrequirementsmaterialhasgoodmechanicaland
electricalperformance,polymer-basedcompositeshavealotof
materialisthecomprehensiveperformance,andprocessingis
simple,thecostislow,haveveryopenfieldofstudyandgood
researchvalue.Theapplicationofrubber,particularly
prominentasakindofnewmaterials,rubberinvolvespeople
fromallwalksoflifedevelopment,naturalrubbermodifiedto
beaoneofthethemesofTheTimes,thispapermainlydiscusses
themechanicalpropertiesoftherubbermodified,especially
nanometermaterialsonnaturalrubbermechanicalpropertiesof
modified,mechanicalpropertiesofstrengtheningofrubber.
ThisarticleUSEStheisgraphiteandcarbonnanotubesfor
naturalrubbermechanicalpropertiesoftheresearchonthe
modificationoftheexperiment,andaconclusionthatthe
graphiteandcarbonnanotubesmechanicalpropertiesofnatural
rubbermodifieddegreeofconclusion.
Keywords;Naturalrubber,vulcanization,expandedgraphite,
mechanicalproperties,compositematerials,openmixingmill,
carbonnanotubes.
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一绪论...................................................错误！
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1.1天然橡胶的概述.......................................错误！
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1.2天然橡胶制备复合材料.................................错误！
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1.3膨胀石墨概述误！
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错...........................................................................................................
1.4碳纳米管的概述.......................................错误！
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二实验部分...............................................错误！
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2.1天然橡胶/膨胀石墨复合材料的制备......................错误！
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实验原料2.1.1
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膨胀石墨复合材料的制备实验/2.1.2天然橡胶2.2力学性能测试实验.....................................错误！
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超临界流体制备及用于聚合物改性的典型装置2.2.1...............错误！
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超临界流体制备装置的工艺流程2.2.2...........................错误！
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超临界实验程序2.2.3三结果与讨论.............................................错误！
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3.1......................................................错误！
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3.2......................................................错误！
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3.2.1........................................错误！
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3.2.2........................................错误！
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3.2.33.3......................................................错误！
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3.4......................................................错误！
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3.5结论.................................................错误！
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参考文献..................................................错误！
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致谢......................................................错误！
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附录1综述...............................................错误！
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论绪
述胶的概天然橡胶天然橡，物子化合的天然高分聚异戊二烯为主要成分天然橡胶是一种以
，）二烯烃（聚异戊其成分中91%～94%是橡胶分子式是（C5H8）n，用应胶是物质。
天然橡酸、灰分、糖类等非橡胶为其余蛋白质、脂肪最广的通用橡胶。
天然橡胶的历史
1492年远在哥仑布发现美洲大陆以前，中美洲和南美洲的当地居民已开始利用。
1736年直到1736年,法国才在世界上首次报道有关橡胶的产地、采集胶乳的方法和橡胶在南美洲当地的利用情况，使欧洲人开始认识天然橡胶，并进一步研究其利用价值。
1839年此后又经过了100多年，直到1839年美国人固特异（C.Goodyear）发现了在橡胶中加入硫黄和碱式碳酸铅，经加热后制出的橡胶制品遇热或在阳光下曝晒时，才不再像以往那样易于变软和发粘，而且能保持良好的弹性，从而发明了橡胶硫化，至此天然橡胶才真正被确认其特殊的使用价值，成为一种其重要的工业原料。
1888年英国人邓录普（J.B.Dunlop）发明了充气轮胎，促使汽车轮胎工业飞跃地发展，因而导致耗胶量急剧上升。
1876年英国人威克姆（H.Wickham）从巴西马逊河口采集橡胶种子，运回英国皇家植物园播种,并在锡兰（现在的斯里兰卡）、印度尼西亚、新加坡试种，均取得成功。
此即为巴西橡胶树在远东落户的开端。
从此，栽培橡胶业发展非常迅速。
1997年世界天然橡胶产量已高达624.7万吨。
新中国成立后中国农垦科技工作者通过科学实践，打破了国外近百年来所谓15°以北是巴西橡胶树种植“禁区”的定论，成功地在北纬18°以北至北纬24°的广大地区种植巴西橡胶树，并获得较高的产量。
1996年天然胶产量已达到42万吨，成为世界第五大天然胶生产国。
从天然产胶植物中制取的橡胶。
市售的天然橡胶主要是由三叶橡37
。
制得胶胶树的乳
天然橡胶
化学性质
一般为片状固体，相对密度0.94，折射率1.522，弹性膜量2～4MPa，130～140℃时软化，150～160℃粘软，200℃时开始降解。
常温下有较高弹性，略有塑性，低温时结晶硬化。
有较好的耐碱性，但不耐强酸。
不溶于水、低级酮和醇类，在非极性溶剂如三氯甲烷、四[1]能溶胀。
氯化碳等中自然属性
通常我们所说的天然橡胶，是指从巴西橡胶树上采集的天然胶乳，经过凝固、干燥等加工工序而制成的弹性固状物。
天然橡胶是一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，分子式是（C5H8）n，其橡胶烃（聚异戊二烯）含量在90%以上，还含有少量的蛋白质、脂肪酸、糖分及灰分等。
天然橡胶的物理特性。
天然橡胶在常温下具有较高的弹性，稍带塑性，具有非常好的机械强度，滞后损失小，在多次变形时生热低，因此其耐屈挠性也很好，并且因为是非极性橡胶，所以电绝缘性能良好。
天然橡胶的化学特性。
因为有不饱和双键，所以天然橡胶是一种化学反应能力较强的物质，光、热、臭氧、辐射、屈挠变形和铜、锰等金属都能促进橡胶的老化，不耐老化是天然橡胶的致命弱点，但是，添加了防老剂的天然橡胶，有时在阳光下曝晒两个月依然看不出多大变化，在仓库内贮存三年后仍可以照常使用。
天然橡胶的耐介质特性。
天然橡胶有较好的耐碱性能，但不耐浓强酸。
由于天然橡胶是非极性橡胶，只能耐一些极性溶剂，而在非极性溶剂中则溶胀，因此，其耐油性和耐溶剂性很差，一般说来，烃、卤代烃、二硫化碳、醚、高级酮和高级脂肪酸对天然橡胶均有溶解作用，但其溶解度则受塑炼程度的影响，而低级酮、低级酯及醇类对天然橡胶则是非溶剂。
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要用途主回优良的性，尤其是其列橡胶具有上述一系物理化学特由于天然具理后还且，经过适当处缘性、隔水性及可塑性等特性，并弹性、绝，所以宝磨等贵性质，碱、耐热、耐寒、耐压、耐有耐油、耐酸、耐疗带；医鞋、暖水袋、松紧途。
例如日常生活中使用的雨具有广泛用的使用套；交通运输上外科医生手套、输血管、避孕卫生行业所用的上；农业和耐碱手套使用的传送带、运输带、耐酸胎各种轮；工业上密用的球；科学试验水袋；气象测量用的探空气使用的排灌胶管、氨连至、防毒面具；甚克防上使用的飞机、坦、大炮封、防震设备；国然天品都离不开船等高精尖科学技术产火箭、人造地球卫星和宇宙飞以种品已达7万用天然橡胶制成的物橡胶。
目前，世界上部分或完全。
上
述胀石墨概膨介胀石墨简膨形结构键方式和一，碳化合物的成的碳是自然界最普遍元素之60纪。
早在19世一中种新型碳素材料式极其丰富，膨胀石墨便是其，热作用后加和硝酸等化学试剂年代初，Brodie将天然石墨与硫酸家国。
从此，众多百年之后才开始发现了膨胀石墨，然而其应用则在突破。
得了重大的科研开了膨胀石墨的研究和开发，取就相继展碳的平面上层状结构，层是由碳元素组成的六角网平面石墨晶体，只力很弱结合，这种结合键结合，层与层间以范德华力以原子共价多、盐类等下，酸、碱金属大17kJ/mol，层间距离较。
在适当条件有石——新的化学相子间，并与碳原结合形成化种学物质可插入石墨层分迅速时，可瞬间温合物在加热到适当度化墨层间合物。
这种层间化石胀石墨。
膨胀状的新物质，即膨轴解，使石墨沿C方向膨胀成蠕虫与态体结构始化学物理作用，晶化墨经过了插层、脱插、膨、压制等所对强，几乎性好，耐腐蚀性定态是相同的，因此膨胀石墨化学稳终介以适应好的稳定性，可、盐酸、碱、有机溶剂、油类等都有较有的，材料用途的功能想一种理、经济又具有广泛值质的pH为0~14。
它是门。
等工业部表力、机械、仪、汽车、宇航于目前已广泛应用化工、电一C子都以面一平内的C原层晶石墨体是两向大分子状结构，每
状的层合相结。
石墨弱层之间以较的范德华力合价C共键相结，层与杂sp2间以内，层碳原子之原是，每十结构分典型一层片一个碳子层杂的等杂电个和电个即键共强成轨化道很的价，12s子22p子化价39
2P的加杂化，而二个未参上位于同一平面，互相形成σ键化轨道，在存得层间种层状结构使直于平面，形成二键π。
石墨的这电子则垂原素）的物应（如酸、碱、卤隙。
因此在一定条件下，某些反一定的空。
化合物平面形成层间可进入层间空隙，并与碳网子（或单个分子）即范很弱的碳原子层间以的石墨即为可膨胀石墨。
这种插有层间化合物不层间而地进入碳原构允许插层物质能够顺利德华力相联系，这种结合插层化是制备石墨状结构，因此天然石墨破坏碳原子层内的六角网碳非法使或化学的方胀石墨是一种利用物物最好的母体材料。
可膨理了持又保结合的同时炭素的六角网络平面质反应物插入石墨层间，与且，而性质异的理化物。
它不仅保持石墨优石墨层状结构的晶体化合不质层物石墨及插作用而呈现出原有物由于插入质与石墨层的相互将合物时，层间化的石墨在遇到高温有具备的新性能。
插层间化合物粒石墨力远大于向的推力，这个推C分解，产生一种沿石墨层间轴方墨使石开，从而下用石墨层间被推子的层间结合力，在这个推力的作之与层。
石墨层虫状的膨胀石墨子沿C轴方向高倍地膨胀，形成蠕粒，干墨石酸处理性。
如可采用硫可“嵌”入化学物质而具有可膨胀间所致。
嵌”入石墨层膨胀，这是由于硫酸分子“燥后石墨在高温下:
下特性胀石墨有如膨;滑性和可塑性自润强的耐压性、柔韧性、①极;特性蚀、抗辐射强的抗高、低温、抗腐②极;特性强的抗震③极;导率极强的电④性;扭抗曲的特⑤极强的抗老化、
透;熔化及渗以抵制各种金属的⑥可害;没有危致癌物，对环境不⑦无毒、含任何到达，受热于其他膨胀剂不膨胀性石墨薄片的膨胀特性同可始开墨便解分，可膨胀石吸留在层间点阵中化合物度一定温时，由于。
体积最，达到大，在1000℃时膨胀完全膨膨胀，称为起始胀温度墨胀石称为膨。
膨胀后的石墨的积膨胀体可以达到初始时200倍以上好常个非状，形成了一很鳞片状变成密度低的蠕虫原墨或石蠕虫，由隔效层，能有，又的碳源是绝热中膨石热的绝层。
膨胀墨既是胀体系。
特气少的点烟生，失量，率释有中火，热在灾具热放低质损小产的途及特性用40
附吸良的一种性能优胀中可以查知，膨石墨是但是从现有的文献，力附能有强大的吸结构，对有机化合物具剂，尤其是它具有疏松多孔业工各种就被设计成石油，于是膨胀石墨1g膨胀石墨可吸附80g剂。
料的吸附油脂和工业油处保水环物质，用于、有机分子及疏水性类膨胀石墨极易吸附油，油时于水面除当。
它以粒状形式用理有着其它物质不可替代的效果，lo%/rn量为1～种类的不同，其用根据水面上油面积的大小以及油。
数h不等附时间可在15rain至吸优点除水上炭进行优点。
如采用活性它与其吸附剂相比，膨胀石墨有许多吸一些用；还有，且不易再生利会油，它吸附油后下沉，吸附量也小的油们在吸珠岩、蛭石等，它、珍附剂，如棉花、草灰、聚丙烯纤维，吸大吸附量石墨对油类的，这给后处理带来困难；膨胀水同时也吸心、离用挤压理简便，可采面，易捕捞回收，再生利用处油后浮于水。
污染会形成二次、燃烧、加热萃取等法，且不分离、振动、溶剂清洗
管纳米碳
，质学性化学、力构，优异的物理、何碳纳米管由于其特殊的一维几结为将被广泛认行力学形物理对想材料。
其大变性下一代高能纳米机电器件基元的理是构建一直的研究为管米于碳纳现，对设计基象之一，新的现仍然不断被发重是该领域的前沿点器米机电的纳。
意义导有重要的指件具S.Iijima家学由日本科发现的启发后，首先球碳纳米管是受巴基（C60）的在套米碳纳管时发现的是多层物在1991年石墨电弧放电产中发现的，当于
Carbon（Multi-Walled米管为多壁碳纳来圆柱状结构，后普遍称其轴一起的同的工学院加年后，Iijima和州理1.1可，Nanotue,MWCNT）其结构见图。
2
管纳米单构，即壁碳结米碳层有了合率同人Bethune等又时先成只一的纳管。
见（Single-WalledCarbonNanotute,SWCNT），图1.141
1-1
图
据，根卷石墨曲而成纳米管可认为是由单层如图1.2所示，单壁碳表Ch用手性矢量可以有不同的手性（Chirality），卷曲的方向不同，h12
下：
，其定义如示C=ma+na
（1.1）
管纳米为多壁碳管结构图，左图a-c成图1.1:
Iijima合的碳纳米。
上）衍射谱（右纳米管（右下）及其电子（MWCNTs），右图为单壁碳个一，如果将60角为度的基矢量其中a1和a2为石墨层内两个夹基沿那么Ch形成圆柱状结构，石墨层沿矢量Ch方向首尾连接起来其称，通常手纳米管的性指数和a2的分量m和n就是该碳矢a1数指m、n米管中，各种碳纳米管。
目前实验合成的碳纳为（m,n）型。
术技难题生长仍是一个控制固定手性指数的碳纳米管组合都存在，扶米管为指数m=n的碳纳比较习惯性的分类是称手性理论研究中，扶形状与轴向的截面纳米管，取意于其垂直于手椅型（armchair）碳面其截碳纳米管因（B）；n=0（或m=0）的似手椅比较相，见图1.2，））1.2（B（zigzag）碳纳米管（图为与锯齿较象，故称其锯齿型径半是由不同多壁碳纳米管其实管其他的为手性（chiral）碳纳米。
同不，由于，如图1.1所示的单壁碳纳米管同轴组合在一起构成的般间距一的壁碳纳米管层层之间VanderWaals相互作用的存在，多存难稳定能太大而很大层间距过或过低都会因势0.34nm在左右，尽管间手性组合在。
而层
的度于实验温关优幻数系，然而由同温在低生长条件下有近手性的最准独特的。
碳纳米管纳米管性，很于控制难生长出全同手的多壁碳难，在质性、化学、力学常致其有着异乎寻的物理导几一维中空何结构人质，异的力学性优如在出领广泛的域有着色的潜应用.由于其其极于等，材理维米强代下构它认普们遍为是建一超纳纤的想料Koziol人42
2007年合成出高强度碳纳米管纤维，其比强度（specificstrength）可达10GPa/SG，超过了过去所有高强度纤维。
Sekitani通过在高分子聚合物里均匀散入单壁碳纳米管，使得其可以承受70%拉伸应变而不影响其力学性能，对构造用于机器人手臂等柔性电子器件有着重要意义。
而Dai等人则利用其直径小，强度高的特点，成功设计出了以多壁碳纳米管为针尖的扫描探针显微镜的探针，大大提高了显微镜的分辨率，如今该技术
已经被广泛应用于世界各国实验室。
Kim等则将两个碳纳米管黏附到电极上，利用电极控制可以使2个碳纳米管分开或合上，从而制成了可以用于精确操控纳米级物体或测量其性质的纳米镊子。
航天工作者甚至设想用这种高强度材料设计超长缆绳，以用于构造连接地球和太空空间站的电梯导轨。
图1.2:
（A）石墨沿Ch矢量方向卷曲成碳纳米管示意图；（B）自左向右为典型扶手椅型、锯齿型和手性碳纳米管的横向、轴向结构图。
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二、实验部分
2.1、天然橡胶/膨胀石墨复合材料的制备
2.1.1、实验材料
原料
天然橡胶（干胶）石墨碳纳米管（CNTS）
药品
硬脂酸氧化锌（ZnO）促进剂DM工业硫磺
仪器
100ml坩埚马弗炉XK-230开放式炼胶机
橡胶硫化仪MDR-2000E型XLB25-D平板硫化机
拉力试验机XL-50A型秒表LX-A橡胶硬度计
2.1.2、天然橡胶/膨胀石墨复合材料的制备实验
膨胀石墨的制备
膨胀机理
膨胀石呈因其独特的结构和广泛的应用，近些年来一直是研究的热点，研究主要集中在膨胀石墨的制备、应用以及孔结构方面‘'一3，，而对于膨胀机理的探讨相对较少。
目前普遍认为的膨胀机理是:
由于鳞片石墨层间的分子间作用力很弱，很容易在酸化氧化和电化学的条件下被其它物质插人，插层物在高温条件下分解，石墨就在推动力的作用下沿。
轴膨胀几十至几百倍。
高林等研究了膨胀次数对膨胀石墨结构的影响，指出鳞片石墨经过多次膨胀后微观结构稍有变化，。
轴方向上的间距增加千分之二左右，并且经过多次膨胀后就不会再膨胀。
如按照传统的膨胀机理，膨胀是沿着。
轴进行，不可能膨胀多次结构也大致相同，且沿。
轴方向增加的比例也很小。
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石墨的胀胀实验
首先，把马弗炉开关打开，温度设置为1000摄氏度，等待温度达到1000摄氏度左右，当温度达到1000摄氏度时，电流会自动跳闸，去100ml坩埚4个，用勺子每个里面放入0.5克左右石墨（基本都是一勺子，刚刚覆盖坩埚底部的样子），不能太多，不然膨胀后会因为膨胀石墨太满而使石墨损耗太多。
这时温度达到1000摄氏度左右了，用坩埚钳夹取2个放入石墨的坩埚置入高温马弗炉内，关上马弗炉的门，开始计时，30~40秒左右后，取出坩埚，会发现本来刚刚覆盖坩埚底部的石墨现在已经是整整一满坩埚了，这就是膨胀石墨。
这是因为石墨在高温作用下，内部结构发生改变，内部空间膨胀了十倍到几十倍的结果。
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