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(qiáng)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(jī)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(jiǎn)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(gè)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(duì)象,在簡(jiǎn)單而溫和的條件下,制備出剝離型聚丁二烯液體橡膠/有機(jī)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(duì)其進(jìn)行交聯(lián)固化,制備出具有超拉伸性能的聚氨酯橡膠/有機(jī)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(cè)試和拉伸性能

3、測(cè)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(jī)胺改性的粘土,通過XRD測(cè)試,觀察不同有機(jī)胺改性粘土對(duì)其層間距的影響。研究結(jié)果表明,有機(jī)粘土的層間距隨著有機(jī)改性劑烷基鏈長(zhǎng)的增加而增加,隨著有機(jī)改性劑負(fù)載量的增加而增加,直到體系達(dá)到飽和為止；在有機(jī)改性劑的烷基鏈長(zhǎng)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(jiǎn)單方法制備出剝離型液體橡膠/有機(jī)粘土納米復(fù)合凝膠,有機(jī)粘土的含量高達(dá)10wt％。據(jù)我們所知,在常溫液態(tài)下能直接剝離有機(jī)粘土的聚合物尚未有報(bào)道。利用XRD、SAXS、TEM等表征方法研究了有機(jī)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(jī)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(jī)粘土之間的相互作用,最后推斷出有機(jī)粘土在液體橡膠中的自發(fā)剝離機(jī)

5、理。研究結(jié)果表明液體橡膠的端官能團(tuán)、有機(jī)改性劑的長(zhǎng)烷基鏈個(gè)數(shù)和液體橡膠與有機(jī)粘土之間的相互作用對(duì)粘土片層剝離都有一定的影響。 3)研究了液體橡膠/有機(jī)粘土納米復(fù)合凝膠獨(dú)特的流變行為,首次對(duì)粘土片層在液體橡膠中的剝離過程進(jìn)行了原位觀測(cè),總結(jié)出影響該材料流變行為的三大因素：聚合物與有機(jī)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(jī)粘土之間的相互作用對(duì)粘土片層剝離的影響提供了一個(gè)理想的物理模型。 4)在簡(jiǎn)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(jī)粘土納米復(fù)合材料,通過力學(xué)性能測(cè)試可知,含2wt％有機(jī)粘土的聚氨酯橡膠/有機(jī)粘土納米復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到1159.4％(是純聚氨酯的3.47倍),而且此材料的斷裂強(qiáng)度也是純聚氨酯的2.21倍。用2 wt％的有機(jī)粘土就能使聚氨酯材料的斷裂伸長(zhǎng)率得到成倍增加是很少見的,而且有機(jī)粘土的加入同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果。在整個(gè)制備過程中不需要高溫和溶劑,而且對(duì)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(jī)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(jī)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(jī)粘土對(duì)聚氨酯納米復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)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(jiǎn)單而溫和的條件下實(shí)現(xiàn)有機(jī)粘土片層在液體橡