天然-丁苯橡膠納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、高分子基納米復(fù)合材料是以高分子化合物為基體,分散相中至少有一維小于100nm的新型復(fù)合材料,由于納米材料的納米效應(yīng)以及與基體材料的泊松比不同,會(huì)產(chǎn)生更多的微開裂,吸收更多的沖擊能并阻止材料的斷裂,從而提升高分子材料宏觀物理性能,它是當(dāng)前材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本工作對三種納米材料碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、多壁碳納米管(MWNTs)的表面化學(xué)改性、在橡膠基體中的聚集、分散、增強(qiáng)效應(yīng)和綜合性能等方面進(jìn)行了研究。
　　1.

2、針對天然/丁苯橡膠納米SiC或Si3N4復(fù)合體系,從分子設(shè)計(jì)的角度出發(fā),選擇乙烯基三乙氧基硅氧烷(VTES)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)為單體,通過自由基溶液共聚合和優(yōu)化反應(yīng)條件,合成了三元共聚物BA-MMA-VTES納米粉體大分子表面改性劑。采用FTIR、NMR、GPC、DSC、TGA等對所合成的三元共聚物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和數(shù)均相對分子質(zhì)量進(jìn)行了表征和分析;通過FTIR、NMR測試結(jié)果證實(shí)了BA-MMA-VTES三元共聚

3、物的結(jié)構(gòu);通過GPC測試,證明BA-MMA-VTES三元共聚物的數(shù)均相對分子質(zhì)量控制在3000～10000;DSC顯示合成的大分子只有一個(gè)Tg,在3.3℃左右,表明它是無規(guī)共聚物,柔性適中;TGA顯示三元共聚物主要熱分解區(qū)間在280～500℃,熱穩(wěn)定性良好。
　　應(yīng)用BA-MMA-VTES大分子表面改性劑對納米SiC和Si3N4陶瓷粉體進(jìn)行表面包覆改性。FTIR、TGA分析表明大分子表面改性劑對納米SiC和Si3N4粉體表面發(fā)生了

4、化學(xué)包覆;納米粒度測定儀測定結(jié)果表明,處理后的納米SiC和Si3N4粉體,粒徑明顯減小,其中在大分子表面改性劑用量為5％的溶液中,納米SiC和Si3N4粒徑最小;TEM觀測表明,處理后的納米SiC和Si3N4粉體在有機(jī)溶劑中分散均勻,明顯阻止了納米粉體的團(tuán)聚。
　　在天然/丁苯并用混煉膠中,當(dāng)加入改性后的SiC和Si3N4粉體量分別為0.5份和2.5份,橡膠納米復(fù)合材料的各項(xiàng)性能均有較好提高,適合用于制造在動(dòng)態(tài)條件下使用的汽車用橡

5、膠零部件。
　　2.針對天然/丁苯橡膠多壁碳納米管MWNTs復(fù)合體系,選擇甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯(GMA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)為單體,通過自由基溶液共聚合和優(yōu)化反應(yīng)條件,合成了三元共聚物BA-MMA-GMA大分子表面改性劑,用于MWNTs納米材料表面改性。采用FTIR、NMR、TGA、粘度法等對所合成的三元共聚物的組成、結(jié)構(gòu)和相對分子量進(jìn)行了表征和分析;FTIR、NMR測試結(jié)果證實(shí)了BA-MMA-GMA三元共

6、聚物的結(jié)構(gòu);熱分析結(jié)果顯示大分子表面改性劑的分解溫度主要在240～455℃,滿足天然/丁苯橡膠加工硫化過程中對溫度要求。
　　對MWNTs混合酸氧化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果認(rèn)為原始MWNTs表面上已經(jīng)有大量的-OH和-COOH,雖經(jīng)過酸氧化16hr時(shí),但MWNTs表面-COOH與原始MWNTs相比,增加不是非常明顯,改性MWNTs實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明原始MWNTs表面的活性官能團(tuán)能夠滿足大分子改性要求,并且通過TEM觀察,我們發(fā)現(xiàn)隨著氧化時(shí)間的增加,

7、會(huì)破壞MWNTs的表面結(jié)構(gòu),產(chǎn)生了無定形碳。因此,對MWNTs表面改性可省去習(xí)慣采用的預(yù)先酸氧化處理。
　　利用大分子BA-MMA-GMA的環(huán)氧基團(tuán)和MWNTs上的-OH和-COOH官能團(tuán)反應(yīng)制備BA-MMA-GMA/MWNTs雜化納米材料,應(yīng)用FTIR、TGA、TEM對雜化材料進(jìn)行了表征,結(jié)果表明,大分子改性劑BA-MMA-GMA與MWNTs進(jìn)行了化學(xué)鍵合,在其表面包覆了一層大分子有機(jī)層,包覆在MWNTs表面上的大分子最佳用量是

8、9％。TEM表明改性后的MWNTs有良好的分散性能。采用本論文的一步接枝改性法與其它改性方法,如原位聚合復(fù)合法、等離子射線法等相比,本方法可能更具有有工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。
　　用大分子表面改性劑改性后的MWNTs復(fù)合的天然/丁苯橡膠納米復(fù)合材料,當(dāng)加入量為1.5份時(shí),橡膠各項(xiàng)性能均有較好提高,適合用于制造在動(dòng)態(tài)條件下使用的汽車用橡膠零部件。
　　以上兩種設(shè)計(jì)的大分子改性劑,主要目的是用來改性SiC、Si3N4和MWNTs三種納米