不同維數(shù)納米粘土增強天然橡膠的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、粘土是我國十分重要的礦產(chǎn)資源，它是由含水鎂鋁硅酸鹽礦物組成的混合物，其來源廣泛，含量豐富，價格低廉?；瘜W(xué)成分包括:水合硅酸鹽、氧化鋁(Al2O3)、堿金屬氧化物(K2O、Na2O)、堿土金屬氧化物(CaO、MgO)、著色氧化物(Fe2O3、TiO2)，常常伴有石英、長石、云母及硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽等雜質(zhì)。
　　本論文選取了一維結(jié)構(gòu)的凹凸棒土(AT)和二維結(jié)構(gòu)的蒙脫土(MMT)作為天然橡膠(NR)的補強劑。制備了煅燒的凹凸棒土、二

2、氧化硅改性的凹凸棒土(AS)和二氧化硅改性的蒙脫土(MS)三種類型的填料。采用X射線熒光光譜儀（XRF）、紅外光譜儀(FTIR)、X射線衍射光譜儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和比表面積測定儀等手段對填料進行了表征。將納米粘土按照不同的比例添加到NR中，研究了填料對混煉膠的硫化性能和硫化膠的力學(xué)性能、溶脹性能、交聯(lián)密度、耐熱性能、耐磨性能的影響，分析了納米粘土在膠料中的分散性能，探討了不同結(jié)構(gòu)的納米粘土對天然橡膠的增

3、強機理。
　　(1)提純后的凹凸棒土(PAT)，棒狀結(jié)構(gòu)非常明顯，雜質(zhì)被有效去除。采用煅燒法制備的凹凸棒土，外觀顏色由暗灰色變?yōu)樯罴t棕色，SiO2和Fe2O3的含量分別增加了4-5％和1-2％。煅燒后凹凸棒土的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。450℃煅燒后，凹凸棒土中含有的結(jié)晶水和部分結(jié)構(gòu)水失去，在3614cm-1、3581cm-1、3552cm-1處的羥基峰消失。雖然棒狀結(jié)構(gòu)仍然存在，但是有部分的層與層之間發(fā)生了折疊，出現(xiàn)了鏈狀結(jié)構(gòu)，比表

4、面積下降，孔徑增加。當(dāng)煅燒溫度升高到850℃時，凹凸棒土中的羥基峰全部消失，生成了無定型的二氧化硅，孔道完全塌陷，棒狀結(jié)構(gòu)消失，比表面積急速下降，但分散性較好。
　　與純天然橡膠相比，提純和煅燒的凹凸棒土/天然橡膠納米復(fù)合材料的硫化性能和機械性能得到了顯著提高。其中混煉膠的硫化指數(shù)由50min-1提高到90-130min-1。隨著填料含量的增加，硫化膠300％定伸強度、拉伸強度、硬度、耐磨性和溶脹指數(shù)先上升而后下降或趨于平緩。添加

5、量為1份的提純和煅燒的凹凸棒土/NR復(fù)合材料的拉伸強度、耐磨性能、交聯(lián)密度、耐熱性能和耐溶劑性都高于純天然橡膠，其中450℃煅燒的凹凸棒土對天然橡膠的補強效果最佳，拉伸強度達到了29.69MPa，與空白樣品相比，提高了幾乎100％，阿克隆磨耗體積僅為0.0431 cm3，交聯(lián)密度為2.25×10-4mol/cm3，T5％和Tmax比純天然橡膠分別提高了94℃和17℃。同時發(fā)現(xiàn)，凹凸棒土在天然橡膠中具有良好的分散性能，填料與橡膠分子鏈之間

6、的作用力強。由此得出，經(jīng)過450℃煅燒的凹凸棒土對天然橡膠具有很好的補強效果。
　　(2) FTIR分析表明，AS中仍然含有凹凸棒土典型的四種羥基結(jié)構(gòu)。XRD研究發(fā)現(xiàn)AS中出現(xiàn)了SiO2的非晶衍射峰，隨著二氧化硅量的增加，衍射峰的強度逐步在減少，最后基本消失。TEM分析表明，AS粉體中的納米二氧化硅均勻分散在PAT表面，凹凸棒土光滑的表面變得粗糙。比表面積分析表明，AS粉體的BET和Langmuir比表面積高于SiO2和PAT。<

7、br>　　隨著AS粉體添加量的增加，混煉膠硫化速度先上升后下降。其中，填料添加量為1份的混煉膠硫化速度最快。和空白樣品相比較，AS/NR復(fù)合材料性能得到了很大提升。隨著AS含量的增加，硫化膠的拉伸強度、300％定伸強度、耐磨性、交聯(lián)密度先上升后下降。當(dāng)AS添加量為1份時，復(fù)合材料的拉伸性能最佳。其中，AS41/NR硫化膠拉伸強度達到了26.10MPa，比空白樣品提高了70％。AS可以提高天然橡膠復(fù)合材料的耐溶劑性能，拉伸試樣斷面粗糙程度

8、明顯增加，尤其是AS41/NR和AS51/NR，斷面出現(xiàn)了較大的孔洞。說明AS與天然橡膠分子鏈之間有著很強的作用力。AS粉體可以提高天然橡膠復(fù)合材料的耐熱性能，T5％和Tmax比純天然橡膠分別提高了40-70℃和20℃。
　　(3)從MS粉體的紅外光譜圖中發(fā)現(xiàn)，MMT特征峰基本沒有變化。XRD分析表明，隨著SiO2含量的增加，MS的d001層間距由1.87nm增加到2.09nm，說明二氧化硅插層到MMT中。TEM分析表明，MS粉體

9、表面負(fù)載著大量的二氧化硅，SiO2顆粒很好地分散在蒙脫土的表面。SEM分析表明，采用二氧化硅改性后的蒙脫土，明顯改善其團聚現(xiàn)象。MS粉體的BET和Langmuir比表面積介于二氧化硅和蒙脫土之間。
　　MS/NR混煉膠的硫化速度隨著填料添加量的增加先上升后下降。當(dāng)MS含量為1份時，混煉膠的硫化速度最快。和空白樣品相比較，隨著填料含量的增加，MS/NR復(fù)合材料的拉伸強度、300％定伸強度、補強系數(shù)、耐磨性能和交聯(lián)密度先上升后下降。M

10、S添加量為9份時，復(fù)合材料性能最佳，其中MS51/NR的拉伸強度達到了28.62MPa。MS/NR復(fù)合材料拉伸斷面出現(xiàn)了很多細(xì)孔，孔徑大約在1-5μm。純天然橡膠磨耗表面是一種連續(xù)平行的紋路結(jié)構(gòu)，紋路之間的距離大約0.5mm。而MS/NR復(fù)合材料的磨耗表面出現(xiàn)的是不連續(xù)的短紋路結(jié)構(gòu)，而且有SiO2集中點。MS/NR復(fù)合材料與純天然橡膠相比，T5％增加了80-90℃，而Tmax基本不變。
　　(4)建立了不同結(jié)構(gòu)納米粘土對天然橡膠增