纳米复合材料在绝缘橡胶中的应用研究
摘要：采用不同纳米材料处理橡胶基料，分别研究了纳米TiO2、纳米SiO2、纳米ZnO、纳米MgO和纳米A12O3组分对橡胶所形成复合材料性能的影响，终确定复合粉体的组分、粒径等工艺参数。研制成功的纳米氧化物/橡胶/塑料复合材料，击穿强度：100~500KV/cm，电阻率1012~1017Ω/cm。由该材料制成的防雷靴、防雷伞、防雷衣已多次通过“北京雷电防护装置测试中心”不同能级的雷击测试。
关键词： 纳米材料 复合 绝缘橡胶
近二十年来，随着高科技的发展和人类改造变革大自然的滞后影响作用，频发的雷灾已引起我们深刻的思考和高度的重视。如何防雷？以避雷针为代表的“引雷入地”的经典理论无疑是正确的，防雷效果是明显的，而对突发雷击环境下的运动员、操作工、机场、移动电站、移动油库如何应对，是我们面临的一道现实难题。而“绝缘防雷”理念，它对雷电实施“疏” (泄)、“堵”结合，构置防直接雷体系。防直接雷的表述是：如果说避雷针的机理重在引雷入地，即如突发山洪，给予一个特大通道泄放，防直接雷却相左，针对突发雷击总是选择电阻小(绝缘薄弱处)的通道狂泄的特征，在需安防雷位置，极限提高绝缘程度，以减少形成泄雷通道的可能性，终达到防雷的效果，研试高极限绝缘材料用于防雷，这正是本项目的主题。本文利用纳米材料处理橡胶基料，考察了不同纳米粉体复合后橡胶的性能变化，从理论上对橡胶性能的改变进行了探讨，为其工业化提供了工艺参数和理论依据。
1、实验部分
1.1主要试剂和仪器
实验所用试剂有：1#烟片胶、氧化锌、硫磺、促进剂DM、促进剂TT、硬脂酸、石蜡、滑石粉、PVC、DOS、HTG、抗老剂；
实验所用设备有：XK-l60型开炼机、粉体气流温和机、LH-Ⅱ硫化仪、T50电热平板机。
1.2实验方法
(1)、以纳米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2单组分与NR/PVC共混并硫化，测试胶料的各项指标，确定纳米氧化物对基料的影响力。
(2)、以纳米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2单组分不同粒径(<30nm、30~60nm，80nm、<1600nm、200~300nm、>300mn=与NR/PVC共混并硫化，测试胶料的各项指标确定各纳米氧化物对基料影响力大的粒径范围。
1.3分析方法
胶料的物理性能及电气绝缘性能测试按标准：GB2941 GB528 GBl689 GB531 GB3901等规定要求进行。
2、结果和讨论
2.1 不同纳米氧化物对基料的影响
将各种纳米氧化物处理复合后的基料性能进行了比较，具体结果如下：
不同纳米氧化物处理复合后基料的烧结时间比较：ZnO < MgO < Al2O3< SiO2；不同纳米氧化物处理复合后基料的磨耗体积比较：SiO2<ZnO<MgO<Si；体积电阻(Ω)比较，(室温9℃ 相对湿度62％) MgO―6×1012；ZnO―4.5×1012 ；SiO2―2.5×1012 ；Al2O3―4.5×1013 ；表面电阻(Ω)比较：(1000V DC dos) MgO―8.5×1014；ZnO―4.5×1014 ；SiO2―6.5×1014 ；Al2O3―3.3×1014 ；
对基料性能有明显影响力的纳米氧化物有ZnO、MgO、Al2O3、ZrO、SiO2。纳米氧化锌对胶料硫化特性的影响大，纳米级ZnO比表面积大，活性高，促进胶料交联密度提高，同时，纳米氧化锌的小尺寸效应增加了交联网络密度，实现了与高分子材料实现了分子水平的结合，胶料变形降低，密度提高，硫化完善迅速，胶料综合性能提高且补偿剂的用量减少约40％。
纳米氧化铝能够显着提高胶料的耐磨性，便得胶料硬度增大，压缩屈服强度和冲击韧性提高：纳米氧化硅作为填料介入，它能有效的高速胶料的硬度，调控配比，可以得到不同机械物理性能的胶料，作为防雷击橡胶的主要填料之一，由于它密度小，比表面大，表面氧化程度高，使用前应作表面处理。
2.2 纳米氧化物粒径对基料的影响力
纳米氧化物的粒径对基料的影响在于：共混硫化时形成何种有效的形态结构和界面状态。实验表明，ZnO可选200~300nm、Al2O3可选80~120nm、MgO可选100~200nm、SiO2可选40~60nm、PVC、滑石粉粒度也应严格控制在lum以下。
2.3 纳米复合橡胶的性能
研试成功纳米氧化物/橡胶/塑料复合材料，击穿强度：100~500 KV/cm，电阻率1012~1017Ω/cm。由该材料制成的防雷靴、防雷伞、防雷衣已多次通过《北京雷电防护装置测试中心》不同能级的雷击测试，并已申报。
3、结论
纳米氧化物粉体经过特定的表面处理和复合，作为像胶/塑料共混聚合物的特种补强剂填充，易混炼，易分散，混炼胶质柔软，提高了压出加工性能和模型流动性，硫化胶体表面光滑，伸长量大，抗张强度高，永久变形小，耐撕裂强度高、耐磨、耐腐蚀、耐候性大大提高，特别是电性能的高指标稳定性和综合性能的提高，使该材料的应用前景快速提升。本技术，可应用到野外作业，特种环境中的机场跑道、战机避护等等军用和民用领域。
防雷胶料――纳米氧化物/NR/PVC的形态结构是决定其性能的基本因素，通过工艺控制，共混物中PVC呈连续相，共混物的性能类似塑料，硬度高，强度高，伸长率低，永久变形大；共混物中的橡胶成连续相，共混物的性能类似于像胶，硬底低，绝缘低，伸长率高，永久变形小：多元纳米氧化物的添加，与PVC/橡胶的共混、相溶、富积包覆嵌入及交联，使胶料形态结构“复杂化”，但综合性能明显提升。实验表明，影响胶料形态结构的主要要素为相结构。共混物中，分散相粒径太小，分子难以显示物性的作用。分散相的相容性、组分比例、组分粘度、混炼工艺、硫化工艺等，均有影响。本研究的结果，给我们一个十分重要和特殊的思想启迪：在一个普通而古老的“橡一塑”天地间，由于纳米氧化物的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，在塑――橡共混体中表现出许多在磁、内阻、热、光、电等方面的新奇特性。具备像胶――塑料――陶瓷优越性能的“橡塑瓷”这类聚合物/无机物纳米复合材料，必然是二十一功能复合材料的主要发展方向。
参考文献
[1] 周祚万，楚珑晟，张再昌．纳米氧化锌在橡胶复合材料中的初步应用[J]．橡胶工业，2002(7)．
[2] 武卫莉．纳米复合材料在橡胶工业中的应用[J]．高师理科学刊．2002(9)．
[3] 高琼芝，周彦豪，陈福林．纳米技术在橡胶工业中应用的新进展[J]．合成橡胶工业．2003(4)．
[4] 刘岚，罗远芳，贾德民．橡胶纳米复合材料的制备和性能[J]．特种橡胶制品．2002(3)．
关键词： 纳米材料 复合 绝缘橡胶
近二十年来，随着高科技的发展和人类改造变革大自然的滞后影响作用，频发的雷灾已引起我们深刻的思考和高度的重视。如何防雷？以避雷针为代表的“引雷入地”的经典理论无疑是正确的，防雷效果是明显的，而对突发雷击环境下的运动员、操作工、机场、移动电站、移动油库如何应对，是我们面临的一道现实难题。而“绝缘防雷”理念，它对雷电实施“疏” (泄)、“堵”结合，构置防直接雷体系。防直接雷的表述是：如果说避雷针的机理重在引雷入地，即如突发山洪，给予一个特大通道泄放，防直接雷却相左，针对突发雷击总是选择电阻小(绝缘薄弱处)的通道狂泄的特征，在需安防雷位置，极限提高绝缘程度，以减少形成泄雷通道的可能性，终达到防雷的效果，研试高极限绝缘材料用于防雷，这正是本项目的主题。本文利用纳米材料处理橡胶基料，考察了不同纳米粉体复合后橡胶的性能变化，从理论上对橡胶性能的改变进行了探讨，为其工业化提供了工艺参数和理论依据。
1、实验部分
1.1主要试剂和仪器
实验所用试剂有：1#烟片胶、氧化锌、硫磺、促进剂DM、促进剂TT、硬脂酸、石蜡、滑石粉、PVC、DOS、HTG、抗老剂；
实验所用设备有：XK-l60型开炼机、粉体气流温和机、LH-Ⅱ硫化仪、T50电热平板机。
1.2实验方法
(1)、以纳米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2单组分与NR/PVC共混并硫化，测试胶料的各项指标，确定纳米氧化物对基料的影响力。
(2)、以纳米氧化物MgO、Al2O3、ZnO、ZrO、SiO2单组分不同粒径(<30nm、30~60nm，80nm、<1600nm、200~300nm、>300mn=与NR/PVC共混并硫化，测试胶料的各项指标确定各纳米氧化物对基料影响力大的粒径范围。
1.3分析方法
胶料的物理性能及电气绝缘性能测试按标准：GB2941 GB528 GBl689 GB531 GB3901等规定要求进行。
2、结果和讨论
2.1 不同纳米氧化物对基料的影响
将各种纳米氧化物处理复合后的基料性能进行了比较，具体结果如下：
不同纳米氧化物处理复合后基料的烧结时间比较：ZnO < MgO < Al2O3< SiO2；不同纳米氧化物处理复合后基料的磨耗体积比较：SiO2<ZnO<MgO<Si；体积电阻(Ω)比较，(室温9℃ 相对湿度62％) MgO―6×1012；ZnO―4.5×1012 ；SiO2―2.5×1012 ；Al2O3―4.5×1013 ；表面电阻(Ω)比较：(1000V DC dos) MgO―8.5×1014；ZnO―4.5×1014 ；SiO2―6.5×1014 ；Al2O3―3.3×1014 ；
对基料性能有明显影响力的纳米氧化物有ZnO、MgO、Al2O3、ZrO、SiO2。纳米氧化锌对胶料硫化特性的影响大，纳米级ZnO比表面积大，活性高，促进胶料交联密度提高，同时，纳米氧化锌的小尺寸效应增加了交联网络密度，实现了与高分子材料实现了分子水平的结合，胶料变形降低，密度提高，硫化完善迅速，胶料综合性能提高且补偿剂的用量减少约40％。
纳米氧化铝能够显着提高胶料的耐磨性，便得胶料硬度增大，压缩屈服强度和冲击韧性提高：纳米氧化硅作为填料介入，它能有效的高速胶料的硬度，调控配比，可以得到不同机械物理性能的胶料，作为防雷击橡胶的主要填料之一，由于它密度小，比表面大，表面氧化程度高，使用前应作表面处理。
2.2 纳米氧化物粒径对基料的影响力
纳米氧化物的粒径对基料的影响在于：共混硫化时形成何种有效的形态结构和界面状态。实验表明，ZnO可选200~300nm、Al2O3可选80~120nm、MgO可选100~200nm、SiO2可选40~60nm、PVC、滑石粉粒度也应严格控制在lum以下。
2.3 纳米复合橡胶的性能
研试成功纳米氧化物/橡胶/塑料复合材料，击穿强度：100~500 KV/cm，电阻率1012~1017Ω/cm。由该材料制成的防雷靴、防雷伞、防雷衣已多次通过《北京雷电防护装置测试中心》不同能级的雷击测试，并已申报。
3、结论
纳米氧化物粉体经过特定的表面处理和复合，作为像胶/塑料共混聚合物的特种补强剂填充，易混炼，易分散，混炼胶质柔软，提高了压出加工性能和模型流动性，硫化胶体表面光滑，伸长量大，抗张强度高，永久变形小，耐撕裂强度高、耐磨、耐腐蚀、耐候性大大提高，特别是电性能的高指标稳定性和综合性能的提高，使该材料的应用前景快速提升。本技术，可应用到野外作业，特种环境中的机场跑道、战机避护等等军用和民用领域。
防雷胶料――纳米氧化物/NR/PVC的形态结构是决定其性能的基本因素，通过工艺控制，共混物中PVC呈连续相，共混物的性能类似塑料，硬度高，强度高，伸长率低，永久变形大；共混物中的橡胶成连续相，共混物的性能类似于像胶，硬底低，绝缘低，伸长率高，永久变形小：多元纳米氧化物的添加，与PVC/橡胶的共混、相溶、富积包覆嵌入及交联，使胶料形态结构“复杂化”，但综合性能明显提升。实验表明，影响胶料形态结构的主要要素为相结构。共混物中，分散相粒径太小，分子难以显示物性的作用。分散相的相容性、组分比例、组分粘度、混炼工艺、硫化工艺等，均有影响。本研究的结果，给我们一个十分重要和特殊的思想启迪：在一个普通而古老的“橡一塑”天地间，由于纳米氧化物的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，在塑――橡共混体中表现出许多在磁、内阻、热、光、电等方面的新奇特性。具备像胶――塑料――陶瓷优越性能的“橡塑瓷”这类聚合物/无机物纳米复合材料，必然是二十一功能复合材料的主要发展方向。
参考文献
[1] 周祚万，楚珑晟，张再昌．纳米氧化锌在橡胶复合材料中的初步应用[J]．橡胶工业，2002(7)．
[2] 武卫莉．纳米复合材料在橡胶工业中的应用[J]．高师理科学刊．2002(9)．
[3] 高琼芝，周彦豪，陈福林．纳米技术在橡胶工业中应用的新进展[J]．合成橡胶工业．2003(4)．
[4] 刘岚，罗远芳，贾德民．橡胶纳米复合材料的制备和性能[J]．特种橡胶制品．2002(3)．
