石墨烯、纤维素对橡胶材料的增强

石墨烯橡胶基复合材料概论橡胶材料应用到国民经济的各个领域，也是高科技领域不可缺少、不可替代的关键材料之一。

其中天然橡胶开发利用已经有100多年历史，20世纪30年代采用双烯类单体合成出丁钠、丁锂橡胶，引入氯原子合成出具有阻燃、耐日光老化功能的氯丁橡胶，引入氰基的丁腈橡胶能改善耐油性，在分子侧链引入高键能氟原子的氟橡胶极大提高了材料的耐热性和耐老化特性，随着化学工业的不断发展，硅橡胶、三元乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶、丁苯橡胶等生胶与橡胶材料被开发出来。

随着应用需求的发展和橡胶制品应用的多样化，其中典型的例如航空材料领域，需要橡胶制品具有优异的各项综合性能，也对橡胶制品提出了更高的功能性需求。

橡胶材料的生胶在强度和弹性方面都比较低，不具备使用价值，只有加入补强填料、防老剂等加工助剂并经过加工后才拥有使用功能。

炭黑（CB）作为通用的碳基补强材料与白炭黑（SiO）一起广泛应用于各类橡胶胶料补强中。

石墨烯2是最新发展的新型碳基材料，具有优异的物理性能，引起了学术界和工业界的高度关注。

表4-1给出了石墨烯、碳纳米管、钢铁、塑料、纤维和橡胶的性能对比数据。

石墨烯，作为一种性能出色的橡胶纳米填料，与其衍生物一同被广泛应用于各类石墨烯/橡胶复合材料研究中。

在满足功能性要求的基础上，相关研究主要在以下两个方面提升石墨烯/橡胶复合材料性能：（1）提高石墨烯及其衍生物在橡胶基体中的分散程度；（2）增强石墨烯及其衍生物结构与橡胶基体之间的界面相互作用。

表4-1 石墨烯，碳纳米管，纳米尺寸钢和聚合物的部分性能了大量的研究成果，在材料、工艺、检测手段等方面也开辟了很多新的研究方向。

其发展历程、历史定位与发展基础已被为数众多的综述所记录。

本章将从石墨烯/橡胶复合材料应用的橡胶基体及典型应用出发，综述其制备及功能改性、结构、性能、相关测试方法及其应用方面的研究进展。

纤维素在纳米学中的应用纤维素是一种无色、无味、无毒的天然多糖，是植物细胞壁的重要成分。

一般来说，纤维素分子比较长，直径在10-100nm之间，因此纤维素的纳米级应用潜力不容忽视。

本文将深入探讨纤维素在纳米学中的应用以及其独特性质所带来的优势。

纤维素在纳米学中的应用主要有两个方面：一是作为纳米材料的构建单元；二是作为生物医学材料的载体。

下面将分别作详细探讨。

一、纤维素在纳米材料中的应用纤维素分子的特殊结构使其具有很好的纳米级性能，例如：在自组装过程中，纤维素能够形成具有自组装行为的纳米级结构，如纳米管、纳米棒等。

同时，纤维素还可以与其他纳米颗粒（如金纳米颗粒、石墨烯等）进行复合，从而形成新型复合材料。

纤维素和金纳米颗粒复合后，可以形成复合材料，具有多个优异性能。

首先，纤维素作为载体，可以稳定地固定金纳米颗粒，从而避免其聚集并保持其稳定性。

其次，复合材料具有较高的表面积，使得其更容易在微观环境中进行反应；同时，金纳米颗粒可以也表面上的自由电子，具有良好的催化作用，利于反应进程的进行。

最后，复合材料具有较大的比表面积，可以有很好的电催化性。

纤维素复合材料还可以用于生物传感器、太阳能等领域。

在生物传感器开发中，纤维素复合材料可以通过其获得的电学性能来实现对生物分子的检测。

而在太阳能领域中，纤维素复合材料则可以作为一种半导体吸光体，帮助太阳能电池转化可再生能源。

二、纤维素在生物医学材料中的应用纤维素在生物医学材料中的独特性质包括低毒性、高生物相容性和生物可降解性等。

这些特性使得纤维素在生物医学领域具有很好的应用潜力，例如：纤维素可以用于制备药物输送系统、组织工程材料、高分子药剂等等。

在药物输送系统制备中，纤维素被用作包裹物。

由于纤维素的结构具有较高的表面积和孔隙度，因此纤维素可以通过控制其孔径大小来实现对药物的封装和缓释，从而避免药物在体内过早释放，提高药物使用的效果。

纤维素还可以与其他材料进行复合，例如铁氧体、石墨烯等，形成新的高效药物输送系统。

橡胶纳米复合材料的制备及其性能研究橡胶纳米复合材料近年来在工业应用和科学研究领域得到广泛关注。

橡胶是一种重要的材料，具有很高的弹性和延展性，广泛应用于汽车、电子、医疗等领域。

而纳米材料则具有高比表面积、纳米尺度效应等特性，常用于强化材料性能。

将橡胶和纳米材料组合在一起，可以产生协同效应，提高材料的力学性能、抗老化性能等，因此橡胶纳米复合材料的制备及其性能研究备受关注。

一、橡胶纳米复合材料的制备橡胶纳米复合材料的制备通常采用两种方法：机械法和化学法。

机械法是将纳米材料和橡胶通过加热、混合等方式制备成复合材料。

其中最常用的方法是热压法。

将纳米材料和橡胶混合后，通过加热和压力使其在一定时间内形成复合材料。

此外，还有球磨、超声波处理等方法可以用于制备橡胶纳米复合材料。

化学法是将纳米材料和橡胶通过化学反应制备成复合材料。

化学方法有热逆反应、溶液共混等方式。

其中最常用的方法是原位聚合法。

将纳米材料作为反应活性中心，与橡胶单体在反应条件下发生聚合，制备成橡胶纳米复合材料。

二、橡胶纳米复合材料的性能研究橡胶纳米复合材料的性能主要涉及力学性能、电性能、热性能等方面。

力学性能是橡胶纳米复合材料的主要性能之一。

纳米复合材料会通过增加抗拉强度、形变率等方式提高力学性能。

近年来，越来越多的研究表明，纳米复合材料中的纳米颗粒可以在高应力状态下形成临界感应区，增强材料的强度和刚性。

此外，纳米颗粒的增加还会降低复合材料的疲劳性能，增加材料的耐久性。

电性能是橡胶纳米复合材料的另一个重要性能。

通过添加纳米材料可以提高橡胶复合材料的导电性或绝缘性。

例如，银纳米颗粒被广泛研究用于制备导电橡胶材料。

其导电性能通常与银颗粒含量和粒径有关。

石墨烯、碳纳米管等碳基纳米材料也是制备导电橡胶材料的重要材料。

热性能是橡胶纳米复合材料的另一个重要性能。

通过添加纳米材料可以提高橡胶复合材料的耐高温性和热稳定性。

例如，氧化铝和二氧化硅的添加可以有效减少复合材料的震荡热失重，提高其热稳定性。

石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性研究近些年来随着石墨烯和碳纳米管在材料领域众多的工业应用，研究人员开始重视这两种物质在橡胶材料中的分散性状况。

本文就对石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性研究进行一个综述，旨在为今后基于橡胶材料开发、应用中需要解决的分散性问题提供有效的参考资料。

首先，石墨烯和碳纳米管是新兴的纳米结构材料，具有优异的机械性能、电学性能和光学性能，已成为新型功能材料的首选。

然而，这两种材料的分散性在橡胶材料中仍然是一个挑战，有着重要的意义。

其次，实验证明，石墨烯和碳纳米管在橡胶基材料中的分散性表现出显著的差异。

显著优于碳纳米管的石墨烯，其分散性在橡胶中的表现会受到很多因素的影响，包括体系的热处理、橡胶的形状、石墨烯和橡胶的浓度以及加入材料的性质等。

相应地，石墨烯在橡胶中的分散性促使研究人员将石墨烯和橡胶材料联用，以提高其力学性能和电学性能。

而碳纳米管和橡胶的分散性也受到了影响。

实验表明，碳纳米管在橡胶基材料中的分散性受到影响的因素与石墨烯相似，只是碳纳米管的分散性会比石墨烯低一些。

为改善碳纳米管在橡胶中的分散性，研究人员使用多种表面改性技术，如化学修饰、物理混合和聚合物相互作用等，有效改善了碳纳米管在橡胶中的分散性。

最后，研究者在石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性方面也做了相关研究。

他们发现，将自然界的活性物质引入橡胶体系中可以显著改善石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性。

而此外，一些抗菌剂，抗氧化剂、吸附剂等也可以通过影响石墨烯和碳纳米管的极性、表面能和表面电荷等因素，对其分散性有一定的改善作用。

总之，以上研究表明，石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性具有重要的意义，它们能够有效改善橡胶材料的机械性能、电学性能和光学性能，从而在材料领域得到广泛应用。

因此，基于石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性，未来将展开更多的研究，以期获取更佳的橡胶材料应用效果。

微晶石墨烯高分子复合材料制备及性能分析摘要：天然橡胶是高分子材料中最常见的材料之一，其氧指数仅为17，具有较强的易燃特性，且燃烧时会释放数量众多的黑烟，完善其阻燃性是维持天然橡胶长期使用的重要保证。

无机阻燃填料一般要具备极大的填充量才能符合日常阻燃需求，经济适用性较差。

在聚合物内添加微量有机蒙脱土，不但可以完善聚合物基体力学性能、气体阻隔性与耐溶解性，在材料的耐热与阻燃方面也得到极大提升，拥有很强的阻燃性与燃烧自熄性，改进了传统卤素阻燃剂不足，达到清洁生产与环境友好目的。

关键词：微晶石墨烯；高分子；复合材料制备；性能分析引言这种复合物由分散在气质和气质中的本体组合物组成。

不同的材料可以让对方弥补对方的不足，进一步凸显优势。

复合材料的组合性能比单个原始材料好得多，复合材料是可以设计的，可以根据国防、交通、医疗等各个领域的要求设计各种复合材料组合，满足各种应用领域的要求。

高分子材料的天然聚合物可以用于复合材料的研究，天然高分子材料属于可再生材料，可以生物降解，因此可以广泛应用。

目前工业上经常选择纤维素、淀粉等作为高分子材料。

微晶石墨烯是目前广泛使用的强化相材料，不仅提高了源材料的拉伸性能，而且具有一定的导电性。

一、石墨烯的优势1.1石墨烯是所有碳同素异形体的基本单元，分析石墨烯具有代表性当积累石墨烯规则时，形成多层或多层石墨烯纳米线。

不同炭黑含量由石墨烯的随机堆积而成。

石墨烯层被包裹在一起形成碳纳米管。

因此，石墨烯具有不同碳同位素形式的一些固有特性。

其次，石墨烯的研究也可为其他碳物质的研究提供参考。

1.2石墨烯表面性能优异研究表明，填充物/橡胶界面相互作用对橡胶性能起着决定性作用，填充物表面良好的性能促进了界面相互作用。

对不同几何形状的碳纳米填充材料表面进行了比较，结果表明石墨烯的表面积和表面褶皱性能较高，可以吸收更多摩擦产生的能量。

因此，石墨烯的强化效果更加明显。

二、微晶石墨烯高分子复合材料制备2.1液相剥离法液相剥离法是一种先将石墨分散在有机溶剂中，然后用超声波[23.241]制得单层或多层石墨烯的方法。

石墨烯橡胶基复合材料的制备方法目前石墨烯/橡胶导电复合材料的制备方法主要包括溶液共混法、胶乳共混法、机械混炼法等。

一、溶液共混法溶液混合法是实验室制备聚合物基纳米复合材料常用的方法。

具体步骤是将石墨烯片层或者是石墨烯衍生物的胶体悬浮液与目标聚合物基体混合在一起；聚合物可以单独溶解在溶剂中，也可以溶解在石墨烯片的悬浮液中。

接着将目标聚合物的不良溶剂加入该悬浮混合液中，结果包裹着填料的聚合物的分子链会发生沉降作用，而后沉降复合物经过提纯和干燥及进一步的处理就可以进行相关实验或应用。

此外，也可以将石墨烯/聚合物复合溶液中的溶剂直接挥发掉，但是研究表明，该种方法中由于溶剂挥发速率较慢，可能会发生石墨烯聚集现象，最终降低复合材料的性能。

Ashwin等报道了通过溶液涂覆法制备石墨烯/橡胶纳米复合材料。

具体工艺是将TrGO与NBR溶于二甲苯形成均匀的浆状物，然后将该溶液涂覆于铝板上，形成2～3mm厚的橡胶混合物，最后在空气中固化24h得到石墨烯/橡胶复合材料。

图4-1 石墨烯/橡胶复合材料的SEM图像采用溶液共混法制备石墨烯/橡胶复合材料时，石墨烯能够理想地被剥离并均匀分散于橡胶基体中，但该方法也有很多局限性，如石墨烯及其衍生物一般很难与橡胶基体同时分散于共同的溶剂中，如三氯甲烷、甲苯等，因此需要对其进行改性处理，但是化学改性又会影响石墨烯的导电性；此外，大量使用有机溶剂造成环境污染且成本大，与目前的环保趋势不符；橡胶硫化配合剂也很难通过溶液共混加入；另外，有研究表明，溶剂小分子极易进入并紧密吸附到石墨烯片层间，很难将其完全脱除，这为通过溶液共混法制备高性能复合材料带来了困难。

胶乳共混法可以避免这些缺点。

二、胶乳共混法胶乳共混法是首先将石墨烯或者GO分散在水相中，接着再与橡胶胶乳混合，搅拌均匀后进行破乳、干燥、硫化得到石墨烯/橡胶复合材料。

该方法无溶剂引入、污染小，工艺相对简单。

Li等通过在天然橡胶乳液中原位还原氧化石墨烯制备了石墨烯（GR）填充改性天然橡胶（NR），工艺路线见图4-2。

石墨烯增强母粒的原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：石墨烯增强母粒的原理主要是利用石墨烯的独特性质，如高强度、高导热性和高导电性，与其它材料进行复配，从而改善材料的性能。

石墨烯增强母粒的原理可以从以下几个方面来详细说明：1.增强机制：石墨烯在基础材料中的加入可以提高材料的强度和硬度，使材料具有更好的耐磨性和耐腐蚀性。

石墨烯的高导热性可以有效地改善材料的导热性能，提高材料的散热性能。

石墨烯的高导电性可以提高材料的导电性能，增强电子传输速度，使材料具有更好的电气性能。

3.制备工艺：石墨烯增强母粒的制备工艺也是影响其性能的重要因素。

常用的制备方法包括物理共混、化学还原和机械混合等。

在制备过程中，需要控制石墨烯与基础材料的分散性和均匀性，以确保其在复合材料中的均匀分散和良好的性能表现。

4.应用领域：石墨烯增强母粒广泛应用于各个领域，如汽车工业、航空航天、电子设备、生物医学和能源储存等。

在汽车工业中，石墨烯增强母粒可以提高汽车部件的强度和硬度，增加零部件的使用寿命；在生物医学领域中，石墨烯增强母粒可以用于制备高强度和高弹性的生物材料，用于人体植入材料等。

石墨烯增强母粒是一种重要的纳米复合材料，在实际应用中具有广阔的发展前景。

通过合理的制备工艺和界面结合方式，可以充分发挥石墨烯的优异性能，提高基础材料的性能和功能，为各个领域的应用带来更多的可能性。

第二篇示例：石墨烯是一种由碳原子按照六角形排列形成的二维晶格结构的材料，具有独特的电学、热学和力学性质。

由于其强度高、导电性好和柔韧性强等优点，石墨烯已成为研究热点，并在许多领域展现出巨大的应用潜力。

石墨烯增强母粒是一种通过将石墨烯与其他材料混合，以提高该材料的性能的方法。

石墨烯在增强母粒中的作用主要体现在以下几个方面：石墨烯具有优异的机械强度和刚度，可以有效增强材料的力学性能。

由于石墨烯的强度比钢高200倍以上，因此将其加入到其他材料中可以显著提高材料的抗拉强度和硬度。

附件2:中国科学院大学材料科学与光电技术学院《文献阅读》报告学生姓名学号培养单位理化技术研究所专业材料工程手机E-mail导师姓名职称研究员联系电话E-mail指导教师电话E-maijih@ucas ,石墨烯、纤维素简介石墨烯被誉为21世纪的明星材料，在将来或许会取代硅材料在计算 机，太阳能电池等领域的应用。

石墨烯是目前世界上最薄、强度最大、 电阻率最小的二维晶体材料，具有比表面积高、高导电性、高机械强 度、易于修饰、室温量子霍尔效应等优异的物理及电学性质 [1-4]。

单层石显烯及其派生物示意图昭FigJ Schematic diagrams of Rraphene and itsderivatives 11*1纤维素是自然界最为丰富的可再生资源，每年通过光合作用可合成约 1011~1012吨⑸。

纤维素与人类生活密切相关，其特殊的结构使其具有 独特的物理和化学性质，纤维素不仅可以生物降解，还具有良好的生 物相容性。

graphene {2 dimrr^ions )0 dimension fiillefme 1 dimension 3 dimensionscaibon nanclubc ^raphiieCHZHE-2)二，橡胶材料概况橡胶在室温下具有独特的高弹性，其作为一种重要的战略性物质，广泛应用于国民经济、高新技术和国防军工等领域。

然而，未补强的橡胶强度低、模量低、耐磨差、抗疲劳差，没有实用性，因此对于绝大多数橡胶都需要填充补强［8］。

目前，炭黑和白炭黑是橡胶材料的主要补强剂，广泛应用于各种橡胶材料的制品中。

在橡胶补强的同时，由于橡胶材料固有的粘弹滞后损耗和橡胶内部的填料-填料、填料-大分子链以及大分子链之间的摩擦，动态环境下使用的橡胶制品会产生大量的热量，产生的热量不能及时传导出去将导致橡胶内部急剧升温，使其性能劣化，因此需要提高橡胶制品的导热性来提高其动态使用下的使用性能和使用寿命［8］。

石墨烯作为橡胶纳米填料，具有更高的比表面积、强度、弹性、热导性和电导率等。