橡膠納米增強(qiáng)機(jī)理及新型增強(qiáng)導(dǎo)熱橡膠復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、橡膠因其特有的高彈性，常被用作制備動(dòng)態(tài)條件下使用的制品。由于橡膠是熱的不良導(dǎo)體，動(dòng)態(tài)條件下產(chǎn)生的大量生熱無(wú)法及時(shí)導(dǎo)出，熱量積聚產(chǎn)生的高溫對(duì)橡膠制品的性能以及使用壽命有巨大損害。本文首先在炭黑填充丁苯體系的研究中首次發(fā)現(xiàn)了橡膠增強(qiáng)中的逾滲現(xiàn)象，深入探討了橡膠復(fù)合材料納米增強(qiáng)的機(jī)理及影響因素；然后從增強(qiáng)導(dǎo)熱角度出發(fā)，提出了解決橡膠制品動(dòng)態(tài)生熱問題的新思路。根據(jù)納米增強(qiáng)機(jī)理，選用納米級(jí)導(dǎo)熱填料如納米氧化鋅、納米氧化鋁等制備了新型增強(qiáng)導(dǎo)熱橡膠復(fù)

2、合材料，對(duì)其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與傳統(tǒng)增強(qiáng)填料填充體系進(jìn)行了橫向比較。
　　 在論文的第一部分中，通過研究不同粒徑的炭黑補(bǔ)強(qiáng)丁苯橡膠體系中炭黑用量對(duì)丁苯橡膠復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，首次發(fā)現(xiàn)并提出了橡膠增強(qiáng)中存在著類似于橡膠增韌塑料的逾滲行為，而在納米氧化鋅填充三元乙丙橡膠體系中也發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象，且與橡膠復(fù)合材料中的模量逾滲以及導(dǎo)電逾滲的逾滲閾值明顯不同。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種效應(yīng)來(lái)源于納米填料增強(qiáng)橡膠的機(jī)理，納米增強(qiáng)劑

3、粒子在拉伸過程中誘導(dǎo)產(chǎn)生橡膠分子鏈的平行伸直鏈結(jié)構(gòu)可能是其對(duì)橡膠產(chǎn)生顯著增強(qiáng)的主要原因。采用FT-IR和分子模擬等方法對(duì)拉伸過程中橡膠分子鏈取向進(jìn)行表征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米粒子的加入明顯提高了分子鏈取向程度。通過均勻分布理想模型計(jì)算出納米粒子在橡膠復(fù)合材料中的理論粒子間距，發(fā)現(xiàn)了橡膠增強(qiáng)逾滲中臨界粒子間距(CPD)無(wú)法歸一的問題。采用對(duì)臨界粒子間距和臨界粒徑(CMPS)的主要影響因素進(jìn)行細(xì)致深入的研究，從理論上解釋了橡膠增強(qiáng)逾滲中臨界粒子間距

4、無(wú)法歸一的原因，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)橡膠增強(qiáng)填料的臨界粒徑給予了新的詮釋。此外，通過對(duì)橡膠增強(qiáng)影響因素的進(jìn)一步探討提出了一些新的觀點(diǎn)。
　　 在論文的第二部分和第三部分中，首次提出了增強(qiáng)導(dǎo)熱填料的概念，并從增強(qiáng)導(dǎo)熱的思路出發(fā)首先研究了納米氧化鋅大量填充三元乙丙橡膠(EPDM)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能，以期有效地解決由于內(nèi)部溫升積聚帶來(lái)的制品壽命縮短問題。結(jié)果表明，與微米氧化鋅相比，納米氧化鋅在賦予橡膠復(fù)合材料優(yōu)異導(dǎo)熱性能的同時(shí)還具有更為

5、良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，而由于納米氧化鋅粒子在橡膠基體中團(tuán)聚嚴(yán)重使其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能較差。為了改善納米氧化鋅在復(fù)合材料中的分散，我們采用了硅烷偶聯(lián)劑Si69預(yù)處理以及原位改性的方法。使用FT-IR對(duì)Si69改性前后的納米氧化鋅粉體進(jìn)行表征的結(jié)果表明，表面改性后的納米氧化鋅粒子表面出現(xiàn)了來(lái)自Si69分子的新基團(tuán)，如1090cm-1出現(xiàn)了硅氧鍵的伸縮振動(dòng)峰等，證明了Si69分子確實(shí)與粒子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)并接枝到了納米氧化鋅粒子表面。通過研究Si69預(yù)處理

6、以及原位改性對(duì)納米氧化鋅復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響發(fā)現(xiàn)，Si69原位改性的納米氧化鋅復(fù)合材料中填料粒子與橡膠基體之間分散效果更好，顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，而表面改性對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能方面影響并不大。由于納米氧化鋅密度很大約為5.6g/cm3且難以分散，我們進(jìn)而研究了密度較低的納米氧化鋁填充EPDM復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明，納米氧化鋁橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能更優(yōu)異，補(bǔ)強(qiáng)效果較好，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能不好。Si69原位改

7、性對(duì)納米氧化鋁復(fù)合材料同樣可以有效地改善了填料與橡膠基體之間的界面作用，顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，而對(duì)導(dǎo)熱性能方面影響不大；相比之下，使用SA濕法預(yù)處理并沒有改善填料與橡膠之間的相互作用，反而使納米氧化鋁粒子團(tuán)聚現(xiàn)象加重，使復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯下降。通過與傳統(tǒng)增強(qiáng)填料炭黑N330、白炭黑進(jìn)行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過Si69原位改性的納米氧化鋅復(fù)合材料以及納米氧化鋁復(fù)合材料在導(dǎo)熱性能以及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面均具有十分明顯的