層狀硅酸鹽橡膠納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能研究

層狀硅酸鹽/橡膠納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能研究本論文基于張立群教授等提出的“粘土晶層懸浮液/橡膠乳液互穿納米復(fù)合技術(shù)”,制備了一系列層狀硅酸鹽/橡膠納米復(fù)合材料(橡膠基體主要包括丁苯橡膠、天然橡膠和丁腈橡膠,層狀硅酸鹽包括蒙脫土和累托石),詳細(xì)研究了該類橡膠納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn),并分析了二者之間的關(guān)系,以期為該材料在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。透射電子顯微鏡和X-射線衍射分析表明,乳液法制備的層狀硅酸鹽/橡膠納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)為“隔離型”結(jié)構(gòu),其分散相包括部分完全剝離的單片層,以及層間無高分子插入的納米晶束;這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了該類材料與傳統(tǒng)炭黑,白炭黑以及微米粘土填充橡膠體系不同的性能特點(diǎn),在較小用量下具有較高的物機(jī)性能,尤其是硬度、定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度。用動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析(DMTA)和橡膠加工分析儀(RPA)對(duì)該材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究表明,具有較大長徑比的層狀硅酸鹽與其他填料相比,對(duì)橡膠分子鏈的限制作用更強(qiáng),因此橡膠納米復(fù)合材料在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的內(nèi)耗峰較低,而在后期的內(nèi)耗卻又較高;層狀硅酸鹽的引入可以顯著提高橡膠的彈性模量。層狀硅酸鹽在小用量下可以提高SBR和NBR的磨耗性能,用量增加到一定值后,由于層狀硅酸鹽二次聚集體的形成而導(dǎo)致應(yīng)力集中,對(duì)磨耗性能產(chǎn)生負(fù)面影響,這不同于炭黑體系中磨耗量隨炭黑用量增加而逐漸下降的規(guī)律;天然橡膠體系中填料的加入會(huì)引起磨耗量的增加,填料種類和用量對(duì)磨耗量的影響規(guī)律與SBR和NBR體系一致。RPA和孟山都毛細(xì)管流變儀對(duì)材料流變性能的研究表明,與炭黑填充膠料相比,層狀硅酸鹽/橡膠納米復(fù)合材料具有較強(qiáng)的填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);混煉膠粘度稍高,尺寸穩(wěn)定性好,具有良好的加工性能,為生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品提供了保證。優(yōu)異的氣密性是層狀硅酸鹽/橡膠納米復(fù)合材料的突出特點(diǎn)之一,本論文考察了多種橡膠體系納米復(fù)合材料以及丁苯橡膠中多種填充體系的氣體阻隔性,借助TEM和XRD確定了層狀硅酸鹽在橡膠中的形狀系數(shù)(寬厚比);在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到了填料對(duì)橡膠氣體阻隔性貢獻(xiàn)的理<WP=5>論計(jì)算模型,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了擬合,該模型與Nielsen模型相比,可以更好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。材料的自由體積與氣體滲透性能密切相關(guān),利用正電子湮沒壽命研究了丁苯橡膠多種填充體系的自由體積空穴平均大小、濃度以及自由體積分?jǐn)?shù)與填料種類和用量之間的關(guān)系,填料的種類和用量對(duì)橡膠自由體積空穴的平均大小影響不大,而對(duì)自由體積的濃度影響較大;橡膠的自由體積濃度隨層狀硅酸鹽用量增加變化較小,而隨炭黑用量增加逐漸降低;隨著溫度的升高,分子鏈運(yùn)動(dòng)能力增大,材料的自由體積增加;雖然炭黑填充體系可以較好的用自由體積理論(D=Aexp(-B/Fv))來描述氣體擴(kuò)散系數(shù)與自由體積之間的關(guān)系,但層狀硅酸鹽/橡膠納米復(fù)合材料不符合該理論,主要原因在于層狀硅酸鹽對(duì)氣體阻隔性能的提高歸因于高的形狀系數(shù)延長了氣體在橡膠的擴(kuò)散路徑,說明填料的阻隔效應(yīng)要加以考慮。層狀硅酸鹽/橡膠納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、老化性能以及阻燃性能的研究結(jié)果表明,該類橡膠納米復(fù)合材料具有較高的熱穩(wěn)定性;蒙脫土/橡膠納米復(fù)合材料的熱氧老化、臭氧老化優(yōu)于相應(yīng)的純橡膠和相同用量的炭黑和白炭黑硫化膠;在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),蒙脫土/NR納米復(fù)合材料的抗紫外老化性能隨著蒙脫土用量的增加而變好,而炭黑體系中填料用量的影響不明顯。采用錐形量熱儀、氧指數(shù)、水平和垂直燃燒等研究了蒙脫土/丁苯橡膠納米復(fù)合材料的阻燃性能,該材料的熱釋放速率和質(zhì)量損失速率均大大降低,但氧指數(shù)提高不大,與氫氧化鎂并用后,可以得到兼具良好力學(xué)性能和阻燃性能的納米