石墨烯纳米片（GNP）作为丁苯橡胶（SBR）功能填料的环保强化机制与性能优化研究

本文推荐：研究通过高压均质法制备低缺陷密度（ID/IG=0.17）的石墨烯纳米片（GNP），替代传统炭黑（CB）填充丁苯橡胶（SBR）。实验证明，2 phr GNP可使SBR断裂伸长率提升40%，且通过石蜡载体（GPW/GLP）实现GNP安全分散，兼顾力学性能（拉伸强度↑25%）与加工便利性，为绿色橡胶工业提供新策略。

　　

摘要

研究聚焦石墨烯纳米片（GNP）作为丁苯橡胶（SBR）的功能性填料，通过高压均质法从球化石墨（GE）中剥离制备低缺陷（I_D/I_G=0.17）、高结晶度GNP。相比传统炭黑（CB），2 phr GNP使SBR断裂伸长率提升40%，10 phr时拉伸模量提高25%，且耐磨性未受损。石蜡载体（液态GLP/固态GPW）的引入优化了GNP分散，但因其塑化效应略微降低交联密度。

材料表征

GNP横向尺寸约1.85 μm，XPS显示氧含量8.9 atm%，拉曼光谱证实低缺陷密度。XRD显示层间距0.336 nm，热处理后（GNS）缺陷进一步减少。石蜡载体中GNP负载量达50 wt%（GPW）和13 wt%（GLP），TGA表明载体在150–460°C分解，不影响GNP热稳定性。

橡胶复合体系

界面相互作用：GNP通过π–π堆叠形成强填料网络，SEM显示RGNS中GNP分散均匀，而RGSS因表面活性剂残留导致团聚。RPA测试表明，GNP填充体系Payne效应显著，储能模量（G′）随应变下降幅度大于CB体系，反映更强的GNP-GNP相互作用。

力学性能：10 phr RGSS拉伸强度超越RCB，归因于GNP-SBR界面交联密度提升（溶胀实验验证）。DMA显示GNP使tan δ峰值降低，玻璃化转变温度（T_g）向低温移动，表明分子链运动受限。石蜡载体体系（RGPW/RGLP）因塑化作用表现出更高断裂伸长率，但模量增幅较小。

循环加载与耐磨性：滞后测试中，GNP填充体系能量损耗与CB相当（~20%循环1，~6%循环10）。耐磨测试显示，GNP使SBR磨损体积降低70%，13 wt% GLP体系性能甚至优于10 phr CB。

结论

GNP通过界面交联和网络强化机制显著提升SBR性能，石蜡载体解决了GNP粉末处理的健康隐患，为可持续橡胶工业提供了兼顾性能与安全性的解决方案。