石墨烯納米管在輪胎中的妙用
2023-07-27
6770核心提示：為了在危險(xiǎn)環(huán)境中制造不脫色輪胎，需要在混煉階段添加導(dǎo)電填料。正如Anastasia Zirka解釋的那樣，納米管在輪胎中的表現(xiàn)出色。有
為了在危險(xiǎn)環(huán)境中制造不脫色輪胎，需要在混煉階段添加導(dǎo)電填料。正如Anastasia Zirka解釋的那樣，納米管在輪胎中的表現(xiàn)出色。
有許多有關(guān)輪胎及其電氣特性法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。與標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常出現(xiàn)的情況一樣，其標(biāo)題有時(shí)也很容易理解，例如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16392電阻—在測(cè)試臺(tái)上測(cè)量輪胎電阻的測(cè)試方法，或ASTM F 1971 –用于輪胎的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。輪胎在測(cè)試臺(tái)上的負(fù)載下的電阻。
這些要求規(guī)范并確保了靜電放電（ESD）保護(hù)，以在輪胎高速出現(xiàn)時(shí)從輪胎表面去除靜電，并從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看防止其積累。
在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如果測(cè)得的電阻不超過(guò)1010Ω，則要求具有防靜電功能的普通輪胎被認(rèn)為能夠安全地釋放電荷。
沒(méi)有多少添加劑可以達(dá)到所需的電導(dǎo)率而不影響顏色
無(wú)痕輪胎
石墨烯納米管壁的原子排列成六邊形
這輛叉車裝有無(wú)痕輪胎
石墨烯納米管可視化
電阻符合EN 1755，EN 60079
但是，在ATEX產(chǎn)品指令2014/34 / EU和EN 1755 –工業(yè)卡車–安全要求和驗(yàn)證等嚴(yán)格規(guī)定下，有許多特定情況，例如在潛在爆炸區(qū)域使用輪胎。包括在潛在爆炸性環(huán)境中操作的補(bǔ)充要求。根據(jù)EN 1755，腳輪和車輪的外部材料的最大表面電阻應(yīng)為109Ω。
眾所周知的事實(shí)是，大多數(shù)輪胎配方都包含炭黑，并且可以輕松達(dá)到防靜電要求，但對(duì)于不脫色的實(shí)心輪胎則不是這種情況。使用石墨烯納米管（也稱為單壁碳納米管，SWCNT）是一種替代解決方案，可提供所需的導(dǎo)電性能，并保持顏色和非標(biāo)記實(shí)心輪胎的基本配方性能。
科學(xué)家和制造商社區(qū)都承認(rèn)，石墨烯納米管是最先進(jìn)的添加劑之一，可改善我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫膸缀跛胁牧?。?dāng)用于橡膠混合物中時(shí)，它們可以增強(qiáng)機(jī)械性能，同時(shí)還具有導(dǎo)電性。實(shí)現(xiàn)這種以前無(wú)法獲得的性能組合的關(guān)鍵是石墨烯納米管的極低工作劑量。
納米填料-一致的電導(dǎo)率與機(jī)械性能
各種類型的無(wú)機(jī)納米填料已被證明是增強(qiáng)橡膠機(jī)械和電氣性能的有效方法。炭黑和二氧化硅廣泛用于商業(yè)生產(chǎn)的橡膠，包括輪胎。
眾所周知，納米填料的形狀會(huì)影響建立填料的連通網(wǎng)絡(luò)所需的臨界濃度（稱為滲濾閾值）。納米顆粒的長(zhǎng)徑比越高，滲透閾值越低。因此，在橡膠中使用2D和1D碳納米填料（即石墨烯片和碳納米管）引起了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和工業(yè)界眾多研究小組的關(guān)注。石墨烯納米管的特征在于小于2nm的最小可能直徑，并且特別令人關(guān)注。
最近進(jìn)入聚合物市場(chǎng)的一種相當(dāng)新的導(dǎo)電添加劑是多壁碳納米管（MWCNT）。但是，MWCNT不能完全滿足制造商對(duì)穩(wěn)定電導(dǎo)率和更容易配混的需求，也無(wú)法提供合適的機(jī)械性能和柔軟性要求。為了在主體材料中有效，厚和短的MWCNT的所需濃度比長(zhǎng)和短的SWCNT的濃度高幾十倍甚至幾百倍。
盡管名稱相似，但多壁碳納米管和單壁碳納米管（兩種碳的同素異形體）幾乎沒(méi)有共同點(diǎn)，因此它們具有許多非常不同的特性。
盡管MWCNT具有許多相互纏繞的直徑遞減的管，但SWCNT可以被認(rèn)為是極薄的石墨烯卷起片，因此被廣泛稱為石墨烯納米管。石墨烯納米管是一種類似于銅的優(yōu)良導(dǎo)體，比鋼強(qiáng)100倍，因此僅從0.01％的載荷開(kāi)始就具有吸引力。即使這樣的超低濃度也足以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性，而不會(huì)對(duì)材料的機(jī)械性能或粘度產(chǎn)生負(fù)面影響。
目前，石墨烯納米管是最具創(chuàng)新性的添加劑，可提高固體輪胎的效率，耐用性和可負(fù)擔(dān)性，特別是對(duì)于需要消散靜電的輪胎需要抗靜電或?qū)щ娦阅艿挠猩驘o(wú)標(biāo)記應(yīng)用。
為了賦予白色填充劑基橡膠以導(dǎo)電特性，在混合過(guò)程中需要添加導(dǎo)電填料。沒(méi)有太多的添加劑可以達(dá)到所需的電導(dǎo)率而不影響顏色。根據(jù)特定的應(yīng)用，它可能是銅粉，鍍銀和鍍鎳的石墨、銅或鋁，盡管它們確實(shí)提供了所需的導(dǎo)電性能，但添加它們也會(huì)導(dǎo)致在柔韌性，彈性和高價(jià)。
對(duì)于由于價(jià)格低廉而更常用的常規(guī)聚合物基添加劑，所需的高工作劑量導(dǎo)致橡膠的機(jī)械性能存在許多缺陷，并降低了最終產(chǎn)品的使用壽命。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了無(wú)痕實(shí)心輪胎應(yīng)用的潛在范圍。此外，常規(guī)的基于聚合物的添加劑通常取決于濕度并易于遷移，因此橡膠的性能不穩(wěn)定，因?yàn)檫@種遷移至表面并在輪胎的壽命周期內(nèi)釋放。
從歷史上看，存在多種技術(shù)障礙，阻礙了石墨烯納米管在包括彈性體在內(nèi)的各種行業(yè)中的大量應(yīng)用。主要挑戰(zhàn)與難以在材料基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)均勻均勻的分散以及防止進(jìn)一步的團(tuán)聚有關(guān)。但是，最新的材料技術(shù)進(jìn)步已使易于處理的納米管濃縮物與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的配方和制造工藝兼容，而無(wú)需任何特定的更改或其他工具。
來(lái)源：賢集網(wǎng)
有許多有關(guān)輪胎及其電氣特性法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)。與標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常出現(xiàn)的情況一樣，其標(biāo)題有時(shí)也很容易理解，例如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16392電阻—在測(cè)試臺(tái)上測(cè)量輪胎電阻的測(cè)試方法，或ASTM F 1971 –用于輪胎的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。輪胎在測(cè)試臺(tái)上的負(fù)載下的電阻。
這些要求規(guī)范并確保了靜電放電（ESD）保護(hù)，以在輪胎高速出現(xiàn)時(shí)從輪胎表面去除靜電，并從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看防止其積累。
在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如果測(cè)得的電阻不超過(guò)1010Ω，則要求具有防靜電功能的普通輪胎被認(rèn)為能夠安全地釋放電荷。
沒(méi)有多少添加劑可以達(dá)到所需的電導(dǎo)率而不影響顏色
無(wú)痕輪胎
石墨烯納米管壁的原子排列成六邊形
這輛叉車裝有無(wú)痕輪胎
石墨烯納米管可視化
電阻符合EN 1755，EN 60079
但是，在ATEX產(chǎn)品指令2014/34 / EU和EN 1755 –工業(yè)卡車–安全要求和驗(yàn)證等嚴(yán)格規(guī)定下，有許多特定情況，例如在潛在爆炸區(qū)域使用輪胎。包括在潛在爆炸性環(huán)境中操作的補(bǔ)充要求。根據(jù)EN 1755，腳輪和車輪的外部材料的最大表面電阻應(yīng)為109Ω。
眾所周知的事實(shí)是，大多數(shù)輪胎配方都包含炭黑，并且可以輕松達(dá)到防靜電要求，但對(duì)于不脫色的實(shí)心輪胎則不是這種情況。使用石墨烯納米管（也稱為單壁碳納米管，SWCNT）是一種替代解決方案，可提供所需的導(dǎo)電性能，并保持顏色和非標(biāo)記實(shí)心輪胎的基本配方性能。
科學(xué)家和制造商社區(qū)都承認(rèn)，石墨烯納米管是最先進(jìn)的添加劑之一，可改善我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫膸缀跛胁牧?。?dāng)用于橡膠混合物中時(shí)，它們可以增強(qiáng)機(jī)械性能，同時(shí)還具有導(dǎo)電性。實(shí)現(xiàn)這種以前無(wú)法獲得的性能組合的關(guān)鍵是石墨烯納米管的極低工作劑量。
納米填料-一致的電導(dǎo)率與機(jī)械性能
各種類型的無(wú)機(jī)納米填料已被證明是增強(qiáng)橡膠機(jī)械和電氣性能的有效方法。炭黑和二氧化硅廣泛用于商業(yè)生產(chǎn)的橡膠，包括輪胎。
眾所周知，納米填料的形狀會(huì)影響建立填料的連通網(wǎng)絡(luò)所需的臨界濃度（稱為滲濾閾值）。納米顆粒的長(zhǎng)徑比越高，滲透閾值越低。因此，在橡膠中使用2D和1D碳納米填料（即石墨烯片和碳納米管）引起了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和工業(yè)界眾多研究小組的關(guān)注。石墨烯納米管的特征在于小于2nm的最小可能直徑，并且特別令人關(guān)注。
最近進(jìn)入聚合物市場(chǎng)的一種相當(dāng)新的導(dǎo)電添加劑是多壁碳納米管（MWCNT）。但是，MWCNT不能完全滿足制造商對(duì)穩(wěn)定電導(dǎo)率和更容易配混的需求，也無(wú)法提供合適的機(jī)械性能和柔軟性要求。為了在主體材料中有效，厚和短的MWCNT的所需濃度比長(zhǎng)和短的SWCNT的濃度高幾十倍甚至幾百倍。
盡管名稱相似，但多壁碳納米管和單壁碳納米管（兩種碳的同素異形體）幾乎沒(méi)有共同點(diǎn)，因此它們具有許多非常不同的特性。
盡管MWCNT具有許多相互纏繞的直徑遞減的管，但SWCNT可以被認(rèn)為是極薄的石墨烯卷起片，因此被廣泛稱為石墨烯納米管。石墨烯納米管是一種類似于銅的優(yōu)良導(dǎo)體，比鋼強(qiáng)100倍，因此僅從0.01％的載荷開(kāi)始就具有吸引力。即使這樣的超低濃度也足以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性，而不會(huì)對(duì)材料的機(jī)械性能或粘度產(chǎn)生負(fù)面影響。
目前，石墨烯納米管是最具創(chuàng)新性的添加劑，可提高固體輪胎的效率，耐用性和可負(fù)擔(dān)性，特別是對(duì)于需要消散靜電的輪胎需要抗靜電或?qū)щ娦阅艿挠猩驘o(wú)標(biāo)記應(yīng)用。
為了賦予白色填充劑基橡膠以導(dǎo)電特性，在混合過(guò)程中需要添加導(dǎo)電填料。沒(méi)有太多的添加劑可以達(dá)到所需的電導(dǎo)率而不影響顏色。根據(jù)特定的應(yīng)用，它可能是銅粉，鍍銀和鍍鎳的石墨、銅或鋁，盡管它們確實(shí)提供了所需的導(dǎo)電性能，但添加它們也會(huì)導(dǎo)致在柔韌性，彈性和高價(jià)。
對(duì)于由于價(jià)格低廉而更常用的常規(guī)聚合物基添加劑，所需的高工作劑量導(dǎo)致橡膠的機(jī)械性能存在許多缺陷，并降低了最終產(chǎn)品的使用壽命。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了無(wú)痕實(shí)心輪胎應(yīng)用的潛在范圍。此外，常規(guī)的基于聚合物的添加劑通常取決于濕度并易于遷移，因此橡膠的性能不穩(wěn)定，因?yàn)檫@種遷移至表面并在輪胎的壽命周期內(nèi)釋放。
從歷史上看，存在多種技術(shù)障礙，阻礙了石墨烯納米管在包括彈性體在內(nèi)的各種行業(yè)中的大量應(yīng)用。主要挑戰(zhàn)與難以在材料基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)均勻均勻的分散以及防止進(jìn)一步的團(tuán)聚有關(guān)。但是，最新的材料技術(shù)進(jìn)步已使易于處理的納米管濃縮物與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的配方和制造工藝兼容，而無(wú)需任何特定的更改或其他工具。
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