纳米无机填料对顺丁橡胶的补强作用及其机理研究

论文摘要

顺丁橡胶（BR）因其具有良好的弹性及优异的耐磨性和耐寒性,而被广泛应用于汽车轮胎及耐寒制品等领域。但是,BR的拉伸强度和撕裂强度较低,必须填充补强剂后才能使用。本文前两部分分别研究了TiO2和MgO的7种不同粒径对BR/TiO2及BR/MgO复合材料的动态力学性能、物理性能和硫化特性的影响。结果表明,在BR中填充纳米级TiO2后,其正硫化时间比填充微米级的明显延长,且前者的拉伸强度可达到纯BR的6倍;而在BR中填充纳米级MgO后,其正硫化时间比填充微米级的明显缩短,且前者的拉伸强度可达到纯BR的9倍。动态力学性能分析表明,当TiO2和MgO粒径为20nm和50nm时,BR/TiO2及BR/MgO复合材料的tanδ值、储能模量和损耗模量远远大于填充微米级填料,且具有明显的“Payne效应”。第三部分分别研究了纳米TiO2/MgO及MgO/N220的并用对BR硫化特性、物理性能及热稳定性的影响。另外,将纳米MgO、TiO2与炭黑N220对BR的玻璃化转变温度、硫化反应过程、热稳定性及动态力学性能的影响进行了比较。结果表明,当TiO2/MgO并用时,BR拉伸强度和撕裂强度的大小顺序是BR/MgO>BR/TiO2/MgO（15/25）>BR/TiO2;当MgO/N220并用时,BR拉伸强度和撕裂强度的大小顺序分别是BR/MgO/N220（10/30）>BR/N220>BR/MgO,BR/N220>BR/MgO/N220（10/30）>BR/MgO;纳米TiO2对提高BR热稳性的效果最好;填充不同填料对BR的玻璃化转变温度影响很小;纳米MgO在硫化反应过程中没有出现放热峰;BR/MgO复合材料的储能模量G’最大,而损耗模量G″最低,BR/N220损耗模量G″最高,BR/TiO2复合材料的tanδ值最大。第四部分研究了改性剂的种类和用量以及改性工艺对BR性能的影响。结果表明,采用原位改性工艺,最佳改性剂为Si75,当其用量为填料的3%时,与未改性MgO填充BR的性能相比,改性MgO填充BR的硫化速度较快,其硫化胶的拉伸强度、定伸应力和撕裂强度得到了一定程度的提高,而扯断伸长率有所降低。改性MgO填充BR的储能模量G’随应变增加模量下降的幅度变小,且在BR中的分散性较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无机纳米填料的特性与研究进展
• 1.2.1 纳米填料的特性
• 1.2.1.1 小尺寸效应
• 1.2.1.2 表面和界面效应
• 1.2.1.3 量子尺寸效应
• 1.2.1.4 宏观量子隧道效应
• 1.2.1.5 介电限域效应
• 1.2.2 纳米填料的应用进展
• 1.3 无机纳米填料在橡胶中的应用进展
• 1.3.1 纳米二氧化硅
• 1.3.2 纳米粘土
• 1.3.3 纳米碳酸钙
• 1.3.4 纳米二氧化钛
• 1.3.5 纳米氧化锌
• 1.3.6 纳米丙烯酸金属盐
• 1.4 无机纳米填料的改性
• 1.4.1 物理改性
• 1.4.2 化学改性
• 1.4.2.1 化学接枝改性
• 1.4.2.2 偶联剂改性
• 1.5 传统的橡胶补强机理
• 1.5.1 容积效应
• 1.5.2 弱键和强键学说
• 1.5.3 Bueche 的炭黑粒子与橡胶链的有限伸长学说
• 1.5.4 橡胶大分子链滑动学说
• 1.5.5 壳层模型理论
• 1.6 纳米增强理论的最新研究进展
• 1.6.1 炭黑表面结构模型
• 1.6.2 力学模型
• 1.6.3 范德华网络模型
• 1.7 本课题的研究目的和主要内容
• 第二章 实验原材料及测试
• 2.1 主要原材料
• 2.2 主要仪器与设备
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 机械性能测试方法
• 2.3.2 PH 值的测定
• 2.3.3 橡胶加工分析仪测试
• 2.3.4 NMR 法测交联密度
• 2.3.5 差示扫描量热仪（DSC）测试
• 2.3.6 热重（TG-DSC 联用）测试
• 2.3.7 扫描电镜（SEM）测试
• 2粒径对 BR/Ti0₂复合材料性能的影响'>第三章 Ti0₂粒径对 BR/Ti0₂复合材料性能的影响
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 基本配方
• 3.2.2 BR/TiO复合材料的制备
• 3.3 结果与讨论
• 2复合材料的硫化特性及不同粒径 TiO₂的PH 值'>3.3.1 BR/TiO₂复合材料的硫化特性及不同粒径 TiO₂的PH 值
• 2复合材料的交联密度'>3.3.2 BR/ Ti0₂复合材料的交联密度
• 2复合材料的物理性能'>3.3.3 BR/TiO₂复合材料的物理性能
• 2复合材料的动态力学性能'>3.3.4 BR/ Ti0₂复合材料的动态力学性能
• 3.3.4.1 动态应变扫描
• 3.3.4.2 动态频率扫描
• 3.3.4.3 动态温度扫描
• 3.4 本章小结
• 第四章 MgO 粒径对 BR/MgO 复合材料性能的影响
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 基本配方
• 4.2.2 BR/MgO 复合材料的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 BR/MgO 复合材料的硫化特性及不同粒径MgO 的PH 值
• 4.3.2 BR/MgO 复合材料的交联密度
• 4.3.3 BR/MgO 复合材料的物理性能
• 4.3.4 BR/MgO 复合材料的动态力学性能
• 4.3.4.1 动态应变扫描
• 4.3.4.2 动态频率扫描
• 4.3.4.3 动态温度扫描
• 2/MgO 及 N220/MgO 并用体系对 BR 性能的影响'>第五章 Ti0₂/MgO 及 N220/MgO 并用体系对 BR 性能的影响
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 基本配方
• 5.2.2 试样的制备方法
• 5.3 结果与讨论
• 2/MgO 的并用比对 BR 性能的影响'>5.3.1 Ti0₂/MgO 的并用比对 BR 性能的影响
• 2/MgO 的并用比对BR 硫化特性的影响'>5.3.1.1 Ti0₂/MgO 的并用比对BR 硫化特性的影响
• 2/MgO 的并用比对BR 物理性能的影响'>5.3.1.2 Ti0₂/MgO 的并用比对BR 物理性能的影响
• 5.3.2 MgO/N220 的并用比对 BR 性能的影响
• 5.3.2.1 MgO/N220 的并用比对 BR 硫化特性的影响
• 5.3.2.2 MgO/N220 的并用比对 BR 物理性能的影响
• 2/MgO 的并用比对 BR 热稳定性的影响'>5.3.3 Ti0₂/MgO 的并用比对 BR 热稳定性的影响
• 5.3.4 MgO/N220 的并用比对 BR 热稳定性的影响
• 5.3.5 填充不同的填料对 BR 玻璃化转变的影响
• 5.3.6 填充不同的填料对 BR 硫化反应过程的影响
• 5.3.7 填充不同的填料对 BR 热稳定性的影响
• 5.3.8 填充不同的填料对 BR 动态性能的影响
• 5.3.8.1 动态应变扫描
• 5.3.8.2 动态频率扫描
• 5.4 本章小结
• 第六章 氧化镁改性对 BR 性能的影响
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 基本配方
• 6.2.2 试样制备
• 6.2.2.1 未改性MgO（U-MgO）填充BR 的制备工艺
• 6.2.2.2 改性MgO（M-MgO）填充BR 的制备工艺
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 改性剂种类对BR 性能的影响
• 6.3.2 改性工艺对BR 性能的影响
• 6.3.3 改性剂Si75 的用量对BR 物理机械性能的影响
• 6.3.4 改性MgO 对BR 动态性能的影响
• 6.3.4.1 动态应变扫描
• 6.3.4.2 动态频率扫描
• 6.3.4.3 动态温度扫描
• 6.3.5 改性MgO 对BR 微观结构的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录