液體橡膠-粘土納米復(fù)合材料的溫和條件制備及結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系研究.pdf

1、由于納米尺寸效應(yīng),表面效應(yīng)以及納米粒子與基體界面間強的相互作用,聚合物/粘土納米復(fù)合材料具有優(yōu)于相同組分常規(guī)復(fù)合材料的物理、化學(xué)等性能而引起了人們的廣泛關(guān)注。但是,有機粘土在聚合物基體中完全剝離需要一些特殊的條件,如適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度、固化劑、聚合物單體的聚合速率和擠出剪切力等。在簡單而溫和的條件下制備出高性能的剝離型聚合物/粘土納米復(fù)合材料并不太容易,仍然是個挑戰(zhàn)性的課題。 本論文選擇端羥基聚丁二烯液體橡膠(HTPB)和端羧基聚丁

2、二烯液體橡膠(CTPB)為研究對象,在簡單而溫和的條件下,制備出剝離型聚丁二烯液體橡膠/有機粘土納米復(fù)合凝膠,并且以這種含有預(yù)剝離粘土片層的液體橡膠納米復(fù)合凝膠為“橡膠-粘土納米母料”,對其進行交聯(lián)固化,制備出具有超拉伸性能的聚氨酯橡膠/有機粘土納米復(fù)合材料。利用X-射線衍射(XRD)、小角X射線散射(SAXS)、透射電鏡(TEM)、傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)、示差掃描分析(DSC)、固體核磁共振(NMR)、流變性能測試和拉伸性能

3、測試等表征技術(shù),研究了聚氨酯橡膠/粘土納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系。取得了以下的研究成果： 1)采用水溶液陽離子交換法,制備出不同有機胺改性的粘土,通過XRD測試,觀察不同有機胺改性粘土對其層間距的影響。研究結(jié)果表明,有機粘土的層間距隨著有機改性劑烷基鏈長的增加而增加,隨著有機改性劑負(fù)載量的增加而增加,直到體系達到飽和為止；在有機改性劑的烷基鏈長相同的條件下,季銨鹽改性蒙脫土的層間距要比伯胺改性蒙脫土的層間距大

4、。 2)在無需高溫和溶劑的溫和條件下,使用手工攪拌混合的簡單方法制備出剝離型液體橡膠/有機粘土納米復(fù)合凝膠,有機粘土的含量高達10wt％。據(jù)我們所知,在常溫液態(tài)下能直接剝離有機粘土的聚合物尚未有報道。利用XRD、SAXS、TEM等表征方法研究了有機粘土片層在液體橡膠基體中分散的微觀結(jié)構(gòu),并用液體橡膠與有機改性劑之間的相容性和納米復(fù)合凝膠穩(wěn)態(tài)剪切粘度來研究液體橡膠與有機粘土之間的相互作用,最后推斷出有機粘土在液體橡膠中的自發(fā)剝離機

5、理。研究結(jié)果表明液體橡膠的端官能團、有機改性劑的長烷基鏈個數(shù)和液體橡膠與有機粘土之間的相互作用對粘土片層剝離都有一定的影響。 3)研究了液體橡膠/有機粘土納米復(fù)合凝膠獨特的流變行為,首次對粘土片層在液體橡膠中的剝離過程進行了原位觀測,總結(jié)出影響該材料流變行為的三大因素：聚合物與有機粘土之間的相互作用、剪切誘導(dǎo)取向效應(yīng)和溫度效應(yīng),為研究聚合物與有機粘土之間的相互作用對粘土片層剝離的影響提供了一個理想的物理模型。 4)在簡單而溫和的

6、條件下,用預(yù)剝離法制備出具有超拉伸性能的聚氨酯橡膠/有機粘土納米復(fù)合材料,通過力學(xué)性能測試可知,含2wt％有機粘土的聚氨酯橡膠/有機粘土納米復(fù)合材料的斷裂伸長率達到1159.4％(是純聚氨酯的3.47倍),而且此材料的斷裂強度也是純聚氨酯的2.21倍。用2 wt％的有機粘土就能使聚氨酯材料的斷裂伸長率得到成倍增加是很少見的,而且有機粘土的加入同時達到增強增韌的效果。在整個制備過程中不需要高溫和溶劑,而且對生產(chǎn)設(shè)備沒有特殊要求,為液體橡膠

7、的工業(yè)應(yīng)用方面提供了廣闊前景。 5)利用XRD和TEM研究了聚氨酯橡膠/有機粘土納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu),并通過FT-IR、DSC、NMR等表征方法探討了聚氨酯橡膠/有機粘土納米復(fù)合材料中氫鍵的變化情況。通過研究納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系,來揭示有機粘土對聚氨酯納米復(fù)合材料力學(xué)性能的增強機理,為開發(fā)研制高性能的新型納米復(fù)合材料提供理論依據(jù)。 本論文從液體橡膠著手,首先在簡單而溫和的條件下實現(xiàn)有機粘土片層在液體橡