现今,低效、高能耗和强污染的炭黑等补强材料在橡胶制品中被广泛应用。降低此类补强材料在橡胶领域的使用量,研制一种高效、多功能的补强材料已成为该领域急需解决的问题。石墨烯因其具有良好的补强、导热、阻隔及热稳定性能,一直是橡胶补强材料重要的研究开发对象。但由于石墨烯在橡胶基体中的分散性差等缺点,限制了其在高分子增强领域,特别是橡胶补强方面的应用。大量实验证明,将石墨烯材料进行功能化改性,能够保持其在橡胶中具有良好的分散性,并发挥其本体的性能优势。有关石墨烯在聚合物中的研究及应用的文献报道很多,但对于在橡胶中易分散、高性能、功能化的石墨烯特种材料的制备方法以及相关产品在轮胎和密封制品中的应用研究还相对较少。本文借鉴橡胶湿法混炼、胶粉活化和橡胶硫化等原理和工艺。利用一些特殊官能团化合物易被石墨烯负载或吸附的特点,先将多层石墨烯、橡胶胶乳/胶液、表面活性剂和官能化合物在液相状态下混合并干燥,制得石墨烯/橡胶母料。然后将母料与对应的橡胶及助剂等采用橡胶混炼、硫化等手段制备出一系列石墨烯母料/橡胶复合材料。同时,对石墨烯母料的结构、母料与橡胶的相容性、母料与橡胶的配方、复合材料硫化胶的结构与性能进行了系统研究。最后,将最优结构及性能的石墨烯/丁苯橡胶母料、石墨烯/顺丁橡胶母料和石墨烯/天然胶母料应用于轿车轮胎的胎面胶;最佳结构和性能的石墨烯/丁腈橡胶母料制备橡胶隔膜泵密封垫片,考察了石墨烯/橡胶母料在橡胶制品中的应用。主要研究内容如下:(1)开展表面活性剂和官能化化合物种类和用量对多层石墨烯负载或吸附作用的研究。结果表明,表面活性剂与官能分子加入量增加,多层石墨烯的负载或吸附率曲线出现大区域平台,即存在最佳使用量,最佳使用量为0.8%和4.0%。(2)考察了温度、时间和反应条件对多层石墨烯负载或吸附官能化合物的影响规律。实验发现,丙烯酰胺(AM)修饰的石墨烯在较低的温度下即具有良好的分散性,而三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)修饰石墨烯只能在高温条件下才能良好的分散于特定的溶剂中,硬脂酸锌(Zn SA)则对温度和溶剂敏感性不高。(3)采用多种测试手段表征石墨烯母料和复合物的结构、形貌及其在橡胶中分散情况,研究母料的加入量对材料结构和性能的影响。实验结果表明,经修饰的石墨烯/橡胶母料在橡胶基体中具有卓越的分散性,石墨烯母料能有效调节胶样的焦烧时间和硫化速率,并有效提高硫化胶的拉伸强度、300%定伸应力和热稳定性,同时降低拉伸永久变形。(4)将上述工作最优结构及性能的石墨烯母料应用到轿车轮胎的胎面胶和橡胶隔膜泵密封垫片。由产品性能测试结果可知,石墨烯母料能明显提高轮胎产品的使用寿命、阻隔性能和屈挠龟裂性能。另外也能改善密封垫片的耐老化和耐油性能,降低压缩永久变形。