橡膠納米增強機理及新型增強導(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，常被用作制備動態(tài)條件下使用的制品。由于橡膠是熱的不良導(dǎo)體，動態(tài)條件下產(chǎn)生的大量生熱無法及時導(dǎo)出，熱量積聚產(chǎn)生的高溫對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)了橡膠增強中的逾滲現(xiàn)象，深入探討了橡膠復(fù)合材料納米增強的機理及影響因素；然后從增強導(dǎo)熱角度出發(fā)，提出了解決橡膠制品動態(tài)生熱問題的新思路。根據(jù)納米增強機理，選用納米級導(dǎo)熱填料如納米氧化鋅、納米氧化鋁等制備了新型增強導(dǎo)熱橡膠復(fù)

2、合材料，對其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與傳統(tǒng)增強填料填充體系進(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強丁苯橡膠體系中炭黑用量對丁苯橡膠復(fù)合材料拉伸強度的影響，首次發(fā)現(xiàn)并提出了橡膠增強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)來源于納米填料增強橡膠的機理，納米增強劑

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)可能是其對橡膠產(chǎn)生顯著增強的主要原因。采用FT-IR和分子模擬等方法對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)了橡膠增強逾滲中臨界粒子間距(CPD)無法歸一的問題。采用對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逾滲中臨界粒子間距

4、無法歸一的原因，并結(jié)合實驗結(jié)果對橡膠增強填料的臨界粒徑給予了新的詮釋。此外，通過對橡膠增強影響因素的進(jìn)一步探討提出了一些新的觀點。
　　 在論文的第二部分和第三部分中，首次提出了增強導(dǎo)熱填料的概念，并從增強導(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)熱性能的同時還具有更為

5、良好的補強效果，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)了來自Si69分子的新基團(tuán)，如1090cm-1出現(xiàn)了硅氧鍵的伸縮振動峰等，證明了Si69分子確實與粒子發(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，尤其是動態(tài)力學(xué)性能，而表面改性對復(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，補強效果較好，動態(tài)力學(xué)性能不好。Si69原位改

7、性對納米氧化鋁復(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，尤其是動態(tài)力學(xué)性能，而對導(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)熱性能以及動態(tài)力學(xué)性能方面均具有十分明顯的