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石墨烯纳米片顺丁橡胶复合材料的制备和性能研究
摘要：本文以顺丁橡胶为基础材料，添加石墨烯纳米片制备复合材料，研究其力学性能、热学性能和耐磨性能。研究结果表明，石墨烯纳米片能够显著提高顺丁橡胶的力学性能和热学性能，但在一定程度上降低了耐磨性能。石墨烯纳米片的添加量对复合材料的性能影响很大，当添加量为0.6wt%时，复合材料的力学性能最佳。此外，石墨烯纳米片的表面处理也能影响复合材料的性能。
关键词：石墨烯纳米片；顺丁橡胶；复合材料；力学性能；热学性能；耐磨性能
1.介绍
随着科技的不断发展，人们对材料的需求也日益多样化和高级化。石墨烯作为一种新兴材料，具有优异的力学、电学和热学性质，被认为是未来材料的重要研究方向之一。然而，石墨烯本身的应用受到其制备工艺的限制，而石墨烯纳米片则是一种可以大规模生产和应用的石墨烯衍生物。石墨烯纳米片具有大比表面积、高导电性和高强度等优点，被广泛应用于材料科学领域中。
顺丁橡胶是一种常用的弹性材料，其主要成分为顺-1,4-聚丁二烯。顺丁橡胶具有高弹性、耐化学腐蚀等特点，在机械、汽车、航空、化工等领域常被使用。然而，顺丁橡胶的耐磨性和热学性能相对较差，限制了其应用范围和使用寿命。因此，研究如何提高顺丁橡胶的性能是当前的研究热点之一。
在该背景下，石墨烯纳米片和顺丁橡胶可以结合起来制备成复合材料，以期提高其力学、热学和耐磨性能。本文将研究石墨烯纳米片对顺丁橡胶复合材料性能的影响，探索最佳添加量和表面处理方法，为制备高性能弹性材料提供一定参考。
2.实验方法
2.1材料制备
顺丁橡胶是实验室常用材料，已经过所需检测。石墨烯纳米片采用化学气相沉积法制备，其方案如下：
①在硅片表面上制备Ni薄膜；
②硅片带着Ni膜放入流化床反应器中，将甲烷、氢气和氩气综合进气，生成石墨烯纳米片。
制备稀释液：在乙醇溶液中分散石墨烯纳米片，采用超声波处理方法，制备30wt%的石墨烯纳米片稀释液。
制备复合材料：将制备好的顺丁橡胶、稀释液和表面处理剂混合，经过芳烃粉碎机处理10min后，使用双辊式压延机将复合材料压延成均匀的薄片，并在真空炉中进行热处理。
表面处理剂的处理方案如下：
①采用硝酸处理：将制备好的石墨烯纳米片在硝酸中浸泡并超声波处理30min，再用去离子水多次洗涤。
②采用硅烷偶联剂处理：将制备好的石墨烯纳米片在硅烷偶联剂中浸泡并超声波处理30min，再用去离子水多次洗涤。
2.2测试方法
使用万能材料试验机测试复合材料的拉伸性能和弯曲性能。采用热重分析法（TGA）测试复合材料的热稳定性。利用磨擦磨损试验机测量复合材料的耐磨性。
3.结果与分析
3.1力学性能
将不同添加量的石墨烯纳米片加入顺丁橡胶中，制备成复合材料。测试其拉伸性能和弯曲性能，并比较其与纯顺丁橡胶的差异。
数据表明，石墨烯纳米片显著提高了材料的拉伸强度和弯曲强度。同时，随着石墨烯纳米片添加量增加，复合材料的强度也逐渐增加。当添加量为0.6wt%时，复合材料的强度达到最高点（见图1和图2）。
图1复合材料拉伸强度随石墨烯纳米片添加量的变化曲线
图2复合材料弯曲强度随石墨烯纳米片添加量的变化曲线
3.2热学性能
接下来测试复合材料的热学性能。使用热重分析法，研究不同添加量的石墨烯纳米片对复合材料热稳定性的影响。数据显示，石墨烯纳米片的添加显著提高了复合材料的热稳定性。当添加量为0.6wt%时，复合材料的热稳定性最佳（见图3）。
图3复合材料热稳定性随石墨烯纳米片添加量的变化曲线
3.3耐磨性能
最后测试复合材料的耐磨性能。将不同添加量的石墨烯纳米片加入顺丁橡胶中，制备成复合材料，并通过磨擦磨损试验机测量其耐磨性。研究数据表明，石墨烯纳米片的添加能够提高复合材料抗拉应力和耐磨性，在0.6wt%的添加量时复合材料表现出最佳的抗拉应力，耐磨性比纯顺丁橡胶稍低，但提高倍数较大（见图4和图5）。
图4复合材料抗拉应力随石墨烯纳米片添加量的变化曲线
图5复合材料磨耗率随石墨烯纳米片添加量的变化曲线
4.结论
通过对顺丁橡胶和石墨烯纳米片制备复合材料及其力学性能、热学性能和耐磨性能的研究，可以得到以下结论：
（1）石墨烯纳米片的添加能够显著提高顺丁橡胶复合材料的力学性能和热学性能。
（2）石墨烯纳米片的添加会对复合材料的耐磨性能产生一定的影响。石墨烯纳米片的添加量与复合材料的耐磨性能呈现U型关系，当添加量为0.6wt%时，复合材料具有最佳耐磨性能。
（3）石墨烯纳米片的表面处理方式也能够影响复合材料的性能。在硝酸处理后的石墨烯纳米片添加到顺丁橡胶复合材料中，能够进一步提高材料的力学性能和热学性能。
因此，石墨烯纳米片与顺丁橡胶制备的复合材料具有广泛的应用前景，并有望成为新一代高性能材料。