SiC納米線的改性及其橡膠基納米復(fù)合材料的制備、機(jī)理及性能研究.pdf

1、碳化硅納米線（SiCNWs）具有大的比表面積和高的長(zhǎng)徑比以及優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)如高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱率以及耐腐蝕等特性。作為聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料等材料的增強(qiáng)相，而且對(duì)上述材料的增強(qiáng)效果較為顯著。因此，SiCNWs對(duì)高分子聚合物來(lái)說(shuō)可能是一種具有優(yōu)異增強(qiáng)作用的候選材料。氟橡膠（FKM）和丁腈橡膠（NBR）都具有優(yōu)異的耐高溫、耐溶劑和耐候性等特性，主要應(yīng)用在密封橡膠領(lǐng)域如密封圈、密封墊片等，為了提高這兩種橡膠

2、的性能，通過(guò)添加納米填料是一種有效的措施。因此本文主要研究了SiCNWs的改性及以 SiCNWs和改性碳化硅納米線（m-SiCNWs）為添加劑制備的 SiCNWs/FKM、m-SiCNWs/FKM和 SiCNWs/NBR納米復(fù)合材料的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和耐磨性等性能。此外，還對(duì)SiCNWs的改性機(jī)理和增強(qiáng)橡膠的機(jī)理進(jìn)行了研究。研究?jī)?nèi)容主要有以下三個(gè)方面：
　?。?）使用不同的硅烷偶聯(lián)劑：3-（三甲氧基甲硅基）甲基丙烯酸丙酯（KH5

3、70）和十七氟癸基三乙氧基硅烷（AC-FAS）分別對(duì)SiCNWs進(jìn)行疏水改性。采用傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、表面接觸角測(cè)試、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、元素分析（EDS）等表征手段，對(duì)SiCNWs和m-SiCNWs的形貌及改性效果進(jìn)行了表征，并提出了改性機(jī)理。KH570改性SiCNWs時(shí)，研究了溶劑種類（水、乙醇、水和乙醇體積比為1:1）和 KH570的用量（體積分?jǐn)?shù)為1％、2%、3%和4%）分別對(duì)SiCNW

4、s疏水改性效果的影響。測(cè)試結(jié)果表明，以水為溶劑時(shí)，對(duì)SiCNWs的改性效果較好。當(dāng)改性溫度為80℃，改性時(shí)間為3 h時(shí)， KH570在水中的最佳體積分?jǐn)?shù)為2%，此時(shí)對(duì)SiCNWs的改性效果最好，SiCNWs表面的水接觸角達(dá)到最大，為119.5°；AC-FAS改性SiCNWs時(shí)，研究了改性溫度、改性時(shí)間和改性劑用量分別對(duì)SiCNWs疏水改性效果的影響。測(cè)試結(jié)果表明，改性溫度為40℃，改性時(shí)間為2 h，改性劑的體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，對(duì)SiCNW

5、s的改性效果最好，此時(shí)SiCNWs表面的水接觸角達(dá)到最大，為122.5°。
　?。?）利用雙酚AF/BPP硫化體系，研究了FKM二段硫化溫度（分別為200℃、230℃、260℃和290℃）和二段硫化時(shí)間（0 h、8 h、16 h、24 h、32 h和40 h）分別對(duì)拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、壓縮永久變形以及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。確定了FKM最佳的二段硫化溫度和二段時(shí)間分別為260℃和24 h。在確定的二段硫化溫度和時(shí)間下，制備

6、了SiCNWs/FKM和m-SiCNWs/FKM納米復(fù)合材料，提出了m-SiCNWs對(duì)FKM增強(qiáng)的機(jī)理。研究了SiCNWs和m-SiCNWs（用量為0份、2份、5份、9份和14份）分別對(duì)FKM拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、硬度、模量、斷裂伸長(zhǎng)率、導(dǎo)熱率等性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明：隨著 SiCNWs和 m-SiCNWs用量的增加，SiCNWs/FKM和m-SiCNWs/FKM納米復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度、模量、硬度和導(dǎo)熱率都得到了增強(qiáng)；當(dāng)納米線的用量為1

7、4份時(shí)，與純FKM相比：m-SiCNWs/FKM和SiCNWs/FKM納米復(fù)合材料的100%定伸應(yīng)力分別提高了102.0%和58.8%，撕裂強(qiáng)度分別提高了17.6%和13.6%，100℃時(shí)的導(dǎo)熱率分別提高了56.9%和24.8%。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析表明，隨著m-SiCNWs用量的增加，m-SiCNWs/FKM納米復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量提高了，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）向高溫方向移動(dòng)，說(shuō)明了m-SiCNWs對(duì)FKM較大的增強(qiáng)作用。此外，還研究了碳化硅納

8、米線/氟橡膠納米復(fù)合材料的佩恩效應(yīng)。利用透射電子顯微鏡（TEM）、SEM和橡膠加工分析儀（RPA）分別對(duì)m-SiCNWs和SiCNWs在FKM中分散進(jìn)行了表征。表征結(jié)果顯示：SiCNWs的疏水改性有利于其在FKM中的分散。
　?。?）分別使用干法和濕法混煉工藝制備了SiCNWs/NBR納米復(fù)合材料。探究了兩種混煉工藝對(duì)SiCNWs/NBR納米復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和耐磨性影響。測(cè)試結(jié)果表明，采用濕法混煉工藝將 SiCNWs分散

9、在 NBR中，SiCNWs對(duì)NBR的增強(qiáng)效果較好。當(dāng)SiCNWs的添加量為5份時(shí)，干法混煉和濕法混煉得到的SiCNWs/NBR納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分別提高了21.62%和32.43%，撕裂強(qiáng)度分別提高了15.88%和28.77%。此外與純NBR相比，SiCNWs/NBR納米復(fù)合材料的耐磨性也提高了。利用 SEM分別對(duì)兩種混煉工藝下， SiCNWs在SiCNWs/NBR納米復(fù)合材料的分散進(jìn)行了表征，表征結(jié)果顯示濕法混煉工藝，提高了SiC