二氧化硅-硅橡膠復(fù)合材料的界面作用及增強機制.pdf

1、橡膠納米復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能取決于高分子鏈網(wǎng)絡(luò)與納米填料網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同效應(yīng)。然而，受填料網(wǎng)絡(luò)非平衡、非均勻和多尺度結(jié)構(gòu)特點以及現(xiàn)有研究方法和技術(shù)的限制，使得填料在橡膠基體中的多尺度結(jié)構(gòu)和三維空間分布的系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)尚未形成，關(guān)于橡膠分子鏈和填料軟硬雙網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用的物理機制尚不清楚，目前只停留在一些唯象的描述上?；谏鲜鲅芯勘尘?，本論文采用了同步輻射X射線三維納米成像技術(shù)與流變、硫化研究方法相結(jié)合的技術(shù)手段，以二氧化硅補強硅橡膠體系為模型研

2、究對象，通過選用不同類型的填料和對填料進行表面修飾，構(gòu)建了三種不同界面作用強度的硅橡膠/二氧化硅(VMQ/SiO2)復(fù)合模型體系，提出復(fù)合體系中填料聚集體以結(jié)合膠為媒介的三維填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并研究了填料網(wǎng)絡(luò)在外場作用下的結(jié)構(gòu)演變行為，獲得了納米填料的結(jié)構(gòu)演變參數(shù)與宏觀力學(xué)性能定量的對應(yīng)關(guān)系，旨在促進和加深對填料增強橡膠微觀物理機制的理解。本論文的主要研究結(jié)果和結(jié)論如下:
　　1)通過改變二氧化硅填料表面的化學(xué)性質(zhì)，得到了具有強的（ε

3、pn=-5.2 kT）和弱的（εpn=-0.36 kT）二氧化硅-硅橡膠界面排斥作用的納米復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米粒子的加入(＜2 vol％)，使具有強界面排斥作用的VMQ/SiO2復(fù)合體系的粘度出現(xiàn)反常降低現(xiàn)象（降低了約15％），然而具有弱界面排斥作用的VMQ/SiO2復(fù)合體系并沒有發(fā)現(xiàn)類似的降粘行為，其粘度變化符合流體動力學(xué)補強效應(yīng)。通過理論計算可知:在具有強硅橡膠-二氧化硅界面排斥作用的復(fù)合體系中，二氧化硅顆粒表面硅橡膠分子鏈的

4、覆蓋率約為2％，而在弱界面排斥作用體系中，硅橡膠分子鏈在填料表面的覆蓋率達到100％。上述研究結(jié)果表明，強排斥界面作用的復(fù)合體系中聚合物分子鏈在二氧化硅表面低的覆蓋率導(dǎo)致聚合物基體和填料間無法進行有效的荷載傳輸，進而使得體系的粘度和模量降低。
　　2)在內(nèi)容(1)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，又分別設(shè)計了兩種具有界面吸引作用的VMQ/SiO2模型研究體系，對比研究了具有界面吸引和排斥作用的VMQ/SiO2復(fù)合體系的硫化動力學(xué)行為。通過定量計算

5、發(fā)現(xiàn)相同填料含量(40 phr)的情況下，填料界面吸附的聚合物分子鏈數(shù)量（結(jié)合膠含量）越多，對硫化反應(yīng)的抑制效果越明顯，論文提出了二氧化硅填料網(wǎng)絡(luò)的模型概念:填料聚集體以包覆在其表面的聚合物分子鏈（結(jié)合膠）為媒介相互連接，形成了填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。解釋了填料影響橡膠硫化的動力學(xué)機制。
　　3)采用同步輻射X射線三維納米成像技術(shù)直觀觀察了三維空間相互連通的填料網(wǎng)絡(luò)并研究了填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨應(yīng)變的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)拉伸誘導(dǎo)下填料網(wǎng)絡(luò)和硅橡膠分子鏈網(wǎng)

6、絡(luò)發(fā)生了相分離。通過定量分析填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與宏觀力學(xué)性能隨應(yīng)變變化的對應(yīng)關(guān)系，證實了復(fù)合體系中填料充當(dāng)了可逆高功能交聯(lián)點的角色。填料與填料間或者填料與硅橡膠間的可逆結(jié)合能夠有效地耗散機械能，進而達到增強增韌的效果。
　　本論文的主要創(chuàng)新點:
　　1)通過模型理論計算，揭示了具有排斥界面作用的VMQ/SiO2復(fù)合體系中填料表面硅橡膠分子鏈的構(gòu)象和承擔(dān)荷載的鏈段濃度隨界面排斥作用力的變化規(guī)律。
　　2)發(fā)展了同步輻射