納米復合材料在絕緣橡膠中的應用研究
摘要：采用不同納米材料處理橡膠基料，分別研究了納米TiO2、納米SiO2、納米ZnO、納米MgO和納米A12O3組分對橡膠所形成復合材料性能的影響，終確定復合粉體的組分、粒徑等工藝參數。研制成功的納米氧化物/橡膠/塑料復合材料，擊穿強度：100~500KV/cm，電阻率1012~1017Ω/cm。由該材料制成的防雷靴、防雷傘、防雷衣已多次通過“北京雷電防護裝置測試中心”不同能級的雷擊測試。
關鍵詞： 納米材料 復合 絕緣橡膠
近二十年來，隨著高科技的發展和人類改造變革大自然的滯后影響作用，頻發的雷災已引起我們深刻的思考和高度的重視。如何防雷？以避雷針為代表的“引雷入地”的經典理論無疑是正確的，防雷效果是明顯的，而對突發雷擊環境下的運動員、操作工、機場、移動電站、移動油庫如何應對，是我們面臨的一道現實難題。而“絕緣防雷”理念，它對雷電實施“疏” (泄)、“堵”結合，構置防直接雷體系。防直接雷的表述是：如果說避雷針的機理重在引雷入地，即如突發山洪，給予一個特大通道泄放，防直接雷卻相左，針對突發雷擊總是選擇電阻小(絕緣薄弱處)的通道狂泄的特征，在需安防雷位置，極限提高絕緣程度，以減少形成泄雷通道的可能性，終達到防雷的效果，研試高極限絕緣材料用于防雷，這正是本項目的主題。本文利用納米材料處理橡膠基料，考察了不同納米粉體復合后橡膠的性能變化，從理論上對橡膠性能的改變進行了探討，為其工業化提供了工藝參數和理論依據。
1、實驗部分
1.1主要試劑和儀器
實驗所用試劑有：1#煙片膠、氧化鋅、硫磺、促進劑DM、促進劑TT、硬脂酸、石蠟、滑石粉、PVC、DOS、HTG、抗老劑；
實驗所用設備有：XK-l60型開煉機、粉體氣流溫和機、LH-Ⅱ硫化儀、T50電熱平板機。
1.2實驗方法
(1)、以納米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2單組分與NR/PVC共混并硫化，測試膠料的各項指標，確定納米氧化物對基料的影響力。
(2)、以納米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2單組分不同粒徑(<30nm、30~60nm，80nm、<1600nm、200~300nm、>300mn=與NR/PVC共混并硫化，測試膠料的各項指標確定各納米氧化物對基料影響力大的粒徑范圍。
1.3分析方法
膠料的物理性能及電氣絕緣性能測試按標準：GB2941 GB528 GBl689 GB531 GB3901等規定要求進行。
2、結果和討論
2.1 不同納米氧化物對基料的影響
將各種納米氧化物處理復合后的基料性能進行了比較，具體結果如下：
不同納米氧化物處理復合后基料的燒結時間比較：ZnO < MgO < Al2O3< SiO2；不同納米氧化物處理復合后基料的磨耗體積比較：SiO2<ZnO<MgO<Si；體積電阻(Ω)比較，(室溫9℃ 相對濕度62％) MgO―6×1012；ZnO―4.5×1012 ；SiO2―2.5×1012 ；Al2O3―4.5×1013 ；表面電阻(Ω)比較：(1000V DC dos) MgO―8.5×1014；ZnO―4.5×1014 ；SiO2―6.5×1014 ；Al2O3―3.3×1014 ；
對基料性能有明顯影響力的納米氧化物有ZnO、MgO、Al2O3、ZrO、SiO2。納米氧化鋅對膠料硫化特性的影響大，納米級ZnO比表面積大，活性高，促進膠料交聯密度提高，同時，納米氧化鋅的小尺寸效應增加了交聯網絡密度，實現了與高分子材料實現了分子水平的結合，膠料變形降低，密度提高，硫化完善迅速，膠料綜合性能提高且補償劑的用量減少約40％。
納米氧化鋁能夠顯著提高膠料的耐磨性，便得膠料硬度增大，壓縮屈服強度和沖擊韌性提高：納米氧化硅作為填料介入，它能有效的高速膠料的硬度，調控配比，可以得到不同機械物理性能的膠料，作為防雷擊橡膠的主要填料之一，由于它密度小，比表面大，表面氧化程度高，使用前應作表面處理。
2.2 納米氧化物粒徑對基料的影響力
納米氧化物的粒徑對基料的影響在于：共混硫化時形成何種有效的形態結構和界面狀態。實驗表明，ZnO可選200~300nm、Al2O3可選80~120nm、MgO可選100~200nm、SiO2可選40~60nm、PVC、滑石粉粒度也應嚴格控制在lum以下。
2.3 納米復合橡膠的性能
研試成功納米氧化物/橡膠/塑料復合材料，擊穿強度：100~500 KV/cm，電阻率1012~1017Ω/cm。由該材料制成的防雷靴、防雷傘、防雷衣已多次通過《北京雷電防護裝置測試中心》不同能級的雷擊測試，并已申報。
3、結論
納米氧化物粉體經過特定的表面處理和復合，作為像膠/塑料共混聚合物的特種補強劑填充，易混煉，易分散，混煉膠質柔軟，提高了壓出加工性能和模型流動性，硫化膠體表面光滑，伸長量大，抗張強度高，永久變形小，耐撕裂強度高、耐磨、耐腐蝕、耐候性大大提高，特別是電性能的高指標穩定性和綜合性能的提高，使該材料的應用前景快速提升。本技術，可應用到野外作業，特種環境中的機場跑道、戰機避護等等軍用和民用領域。
防雷膠料――納米氧化物/NR/PVC的形態結構是決定其性能的基本因素，通過工藝控制，共混物中PVC呈連續相，共混物的性能類似塑料，硬度高，強度高，伸長率低，永久變形大；共混物中的橡膠成連續相，共混物的性能類似于像膠，硬底低，絕緣低，伸長率高，永久變形?。憾嘣{米氧化物的添加，與PVC/橡膠的共混、相溶、富積包覆嵌入及交聯，使膠料形態結構“復雜化”，但綜合性能明顯提升。實驗表明，影響膠料形態結構的主要要素為相結構。共混物中，分散相粒徑太小，分子難以顯示物性的作用。分散相的相容性、組分比例、組分粘度、混煉工藝、硫化工藝等，均有影響。本研究的結果，給我們一個十分重要和特殊的思想啟迪：在一個普通而古老的“橡一塑”天地間，由于納米氧化物的小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，在塑――橡共混體中表現出許多在磁、內阻、熱、光、電等方面的新奇特性。具備像膠――塑料――陶瓷優越性能的“橡塑瓷”這類聚合物/無機物納米復合材料，必然是二十一功能復合材料的主要發展方向。
參考文獻
[1] 周祚萬，楚瓏晟，張再昌．納米氧化鋅在橡膠復合材料中的初步應用[J]．橡膠工業，2002(7)．
[2] 武衛莉．納米復合材料在橡膠工業中的應用[J]．高師理科學刊．2002(9)．
[3] 高瓊芝，周彥豪，陳福林．納米技術在橡膠工業中應用的新進展[J]．合成橡膠工業．2003(4)．
[4] 劉嵐，羅遠芳，賈德民．橡膠納米復合材料的制備和性能[J]．特種橡膠制品．2002(3)．
關鍵詞： 納米材料 復合 絕緣橡膠
近二十年來，隨著高科技的發展和人類改造變革大自然的滯后影響作用，頻發的雷災已引起我們深刻的思考和高度的重視。如何防雷？以避雷針為代表的“引雷入地”的經典理論無疑是正確的，防雷效果是明顯的，而對突發雷擊環境下的運動員、操作工、機場、移動電站、移動油庫如何應對，是我們面臨的一道現實難題。而“絕緣防雷”理念，它對雷電實施“疏” (泄)、“堵”結合，構置防直接雷體系。防直接雷的表述是：如果說避雷針的機理重在引雷入地，即如突發山洪，給予一個特大通道泄放，防直接雷卻相左，針對突發雷擊總是選擇電阻小(絕緣薄弱處)的通道狂泄的特征，在需安防雷位置，極限提高絕緣程度，以減少形成泄雷通道的可能性，終達到防雷的效果，研試高極限絕緣材料用于防雷，這正是本項目的主題。本文利用納米材料處理橡膠基料，考察了不同納米粉體復合后橡膠的性能變化，從理論上對橡膠性能的改變進行了探討，為其工業化提供了工藝參數和理論依據。
1、實驗部分
1.1主要試劑和儀器
實驗所用試劑有：1#煙片膠、氧化鋅、硫磺、促進劑DM、促進劑TT、硬脂酸、石蠟、滑石粉、PVC、DOS、HTG、抗老劑；
實驗所用設備有：XK-l60型開煉機、粉體氣流溫和機、LH-Ⅱ硫化儀、T50電熱平板機。
1.2實驗方法
(1)、以納米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2單組分與NR/PVC共混并硫化，測試膠料的各項指標，確定納米氧化物對基料的影響力。
(2)、以納米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2單組分不同粒徑(<30nm、30~60nm，80nm、<1600nm、200~300nm、>300mn=與NR/PVC共混并硫化，測試膠料的各項指標確定各納米氧化物對基料影響力大的粒徑范圍。
1.3分析方法
膠料的物理性能及電氣絕緣性能測試按標準：GB2941 GB528 GBl689 GB531 GB3901等規定要求進行。
2、結果和討論
2.1 不同納米氧化物對基料的影響
將各種納米氧化物處理復合后的基料性能進行了比較，具體結果如下：
不同納米氧化物處理復合后基料的燒結時間比較：ZnO < MgO < Al2O3< SiO2；不同納米氧化物處理復合后基料的磨耗體積比較：SiO2<ZnO<MgO<Si；體積電阻(Ω)比較，(室溫9℃ 相對濕度62％) MgO―6×1012；ZnO―4.5×1012 ；SiO2―2.5×1012 ；Al2O3―4.5×1013 ；表面電阻(Ω)比較：(1000V DC dos) MgO―8.5×1014；ZnO―4.5×1014 ；SiO2―6.5×1014 ；Al2O3―3.3×1014 ；
對基料性能有明顯影響力的納米氧化物有ZnO、MgO、Al2O3、ZrO、SiO2。納米氧化鋅對膠料硫化特性的影響大，納米級ZnO比表面積大，活性高，促進膠料交聯密度提高，同時，納米氧化鋅的小尺寸效應增加了交聯網絡密度，實現了與高分子材料實現了分子水平的結合，膠料變形降低，密度提高，硫化完善迅速，膠料綜合性能提高且補償劑的用量減少約40％。
納米氧化鋁能夠顯著提高膠料的耐磨性，便得膠料硬度增大，壓縮屈服強度和沖擊韌性提高：納米氧化硅作為填料介入，它能有效的高速膠料的硬度，調控配比，可以得到不同機械物理性能的膠料，作為防雷擊橡膠的主要填料之一，由于它密度小，比表面大，表面氧化程度高，使用前應作表面處理。
2.2 納米氧化物粒徑對基料的影響力
納米氧化物的粒徑對基料的影響在于：共混硫化時形成何種有效的形態結構和界面狀態。實驗表明，ZnO可選200~300nm、Al2O3可選80~120nm、MgO可選100~200nm、SiO2可選40~60nm、PVC、滑石粉粒度也應嚴格控制在lum以下。
2.3 納米復合橡膠的性能
研試成功納米氧化物/橡膠/塑料復合材料，擊穿強度：100~500 KV/cm，電阻率1012~1017Ω/cm。由該材料制成的防雷靴、防雷傘、防雷衣已多次通過《北京雷電防護裝置測試中心》不同能級的雷擊測試，并已申報。
3、結論
納米氧化物粉體經過特定的表面處理和復合，作為像膠/塑料共混聚合物的特種補強劑填充，易混煉，易分散，混煉膠質柔軟，提高了壓出加工性能和模型流動性，硫化膠體表面光滑，伸長量大，抗張強度高，永久變形小，耐撕裂強度高、耐磨、耐腐蝕、耐候性大大提高，特別是電性能的高指標穩定性和綜合性能的提高，使該材料的應用前景快速提升。本技術，可應用到野外作業，特種環境中的機場跑道、戰機避護等等軍用和民用領域。
防雷膠料――納米氧化物/NR/PVC的形態結構是決定其性能的基本因素，通過工藝控制，共混物中PVC呈連續相，共混物的性能類似塑料，硬度高，強度高，伸長率低，永久變形大；共混物中的橡膠成連續相，共混物的性能類似于像膠，硬底低，絕緣低，伸長率高，永久變形?。憾嘣{米氧化物的添加，與PVC/橡膠的共混、相溶、富積包覆嵌入及交聯，使膠料形態結構“復雜化”，但綜合性能明顯提升。實驗表明，影響膠料形態結構的主要要素為相結構。共混物中，分散相粒徑太小，分子難以顯示物性的作用。分散相的相容性、組分比例、組分粘度、混煉工藝、硫化工藝等，均有影響。本研究的結果，給我們一個十分重要和特殊的思想啟迪：在一個普通而古老的“橡一塑”天地間，由于納米氧化物的小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，在塑――橡共混體中表現出許多在磁、內阻、熱、光、電等方面的新奇特性。具備像膠――塑料――陶瓷優越性能的“橡塑瓷”這類聚合物/無機物納米復合材料，必然是二十一功能復合材料的主要發展方向。
參考文獻
[1] 周祚萬，楚瓏晟，張再昌．納米氧化鋅在橡膠復合材料中的初步應用[J]．橡膠工業，2002(7)．
[2] 武衛莉．納米復合材料在橡膠工業中的應用[J]．高師理科學刊．2002(9)．
[3] 高瓊芝，周彥豪，陳福林．納米技術在橡膠工業中應用的新進展[J]．合成橡膠工業．2003(4)．
[4] 劉嵐，羅遠芳，賈德民．橡膠納米復合材料的制備和性能[J]．特種橡膠制品．2002(3)．
