界面特性对硅橡胶力学行为的影响

论文摘要

复合材料由基体相、增强相以及界面相三部分构成,通过界面使增强材料与基体结合为一个整体并产生复合效果,界面相的结构和性质对复合材料的性能起着关键的作用。硅橡胶是一种性能优异的特种橡胶材料,但是只有补强后才具有应用价值,所以在硅橡胶体系中,界面效应具有很高的研究价值。以目前最成熟的界面理论——化学键理论和浸润性理论为指导,通过在硅橡胶基体中加入未改性多壁碳纳米管(MWNTs)、羟基化MWNTs、羧基化MWNTs,利用超高速剪切分散的方法,制备了具有不同界面特性的硅橡胶复合材料。在硅橡胶基体内引入MWNTs后,复合材料的拉伸强度、断裂伸长率及拉伸模量都有大幅度提高,其中,未改性MWNTs对拉伸强度及断裂伸长率增强效果最好,其次是羧基化MWNTs,羟基化MWNTs的效果最差;羧基化MWNTs对拉伸模量的提高最为显著,其次是羟基化MWNTs,未改性MWNTs的效果最差。不同界面特性硅橡胶的红外光谱(IR)、X光电子能谱(XPS)及动态力学分析(DMA)的研究结果表明本实验体系中界面作用强弱顺序为:羧基化MWNTs/硅橡胶＞羟基化MWNTs/硅橡胶＞未改性MWNTs/硅橡胶,即增强界面物理作用的效果好于增强界面化学作用的效果,都显著强于未改性MWNTs/硅橡胶,这与拉伸模量的变化规律相符。利用原子力显微镜(AFM)观察三种界面特性硅橡胶复合材料的界面形貌发现,本实验体系中界面分散状态优劣顺序为:未改性MWNTs/硅橡胶＞羧基化MWNTs/硅橡胶＞羟基化MWNTs/硅橡胶,这与拉伸强度及断裂伸长率的变化规律相符,即界面分散状态好的制品,拉伸强度、断裂伸长率等力学性能较好。在三种不同界面特性复合材料的电阻率研究中发现:电阻率可以作为衡量未改性MWNTs/硅橡胶和羟基化MWNTs/硅橡胶界面相体积变化的参数,但无法适用于含电负性较大基团的硅橡胶体系如羧基化MWNTs/硅橡胶。碳纤维(CF)/硅橡胶的实验表明:当填料尺寸较小时,界面作用较强,增强效果较好;纳米粉末硅橡胶/硅橡胶复合材料的力学性能表明:界面相的分散形态对界面作用影响是至关重要的,但不是唯一的决定因素。此外,利用经验公式得出:在实验体系下,界面层厚度大的样品其力学性能较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物基复合材料的界面研究概述
• 1.1.1 聚合物基复合材料的界面
• 1.1.2 界面的形成与结构
• 1.1.3 界面作用机理
• 1.1.4 复合材料的界面与力学性能关系研究的历史和现状
• 1.2 硅橡胶体系中的界面研究
• 1.2.1 硅橡胶的特点
• 1.2.2 界面特性对硅橡胶力学行为的影响研究的历史
• 1.2.3 界面特性研究的发展趋势
• 1.3 本论文研究的目的、意义及内容
• 1.3.1 本论文研究课题的提出
• 1.3.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 主要实验设备
• 2.3 试样制备
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 力学性能测试
• 2.4.2 硬度测试
• 2.4.3 电阻率测试
• 2.4.4 动态力学性能分析（DMA）
• 2.4.5 原子力显微镜分析（AFM）
• 2.4.6 光电子能谱分析（XPS）
• 2.4.7 红外光谱分析（IR）
• 2.4.8 平衡溶胀实验
• 2.5 碳纳米管表面元素分析
• 2.6 复合材料拉伸模量分析
• 第三章 成型工艺的选择
• 3.1 反应体系的选择
• 3.1.1 反应类型的选择
• 3.1.2 缩合型室温硫化硅橡胶的类型
• 3.1.3 原材料的选择
• 3.2 实验配方的确定
• 3.2.1 交联剂添加量的确定
• 3.2.2 催化剂添加量的确定
• 3.3 成型工艺的确定
• 3.3.1 制备路线的选择
• 3.3.2 抽真空时参数的确定
• 3.4 小结
• 第四章 具有不同界面特性的硅橡胶的力学行为
• 4.1 引言
• 4.2 多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料的拉伸性能
• 4.2.1 MWNTs和MWNTs-OH增强硅橡胶复合材料的拉伸强度及断裂伸长率
• 4.2.2 MWNTs和MWNTs-OH增强硅橡胶复合材料的拉伸模量
• 4.2.3 MWNTs-COOH/硅橡胶复合材料的拉伸确定及断裂伸长率
• 4.2.4 MWNTs-COOH增强硅橡胶复合材料的拉伸模量
• 4.3 碳纤维/硅橡胶复合材料的拉伸性能
• 4.4 不同多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料的硬度
• 4.5 小结
• 第五章 硅橡胶体系中不同界面特性的表征
• 5.1 引言
• 5.2 多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料的界面特性分析
• 5.2.1 IR分析
• 5.2.2 XPS分析
• 5.2.3 DMA分析
• 5.2.4 小结
• 5.3 硅橡胶复合材料界面的AFM分析
• 5.4 纳米硅橡胶粉末/硅橡胶复合材料的性能
• 5.5 硅橡胶复合材料的电阻率分析
• 5.6 经验公式对硅橡胶复合材料界面特性的分析
• 5.6.1 与界面层厚度有关的经验公式对硅橡胶复合材料界面特性的分析
• 5.6.2 与界面作用强弱有关的经验公式对硅橡胶复合材料界面特性的分析
• 5.6.3 平衡溶胀实验
• 5.7 小结
• 第六章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 本研究的创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录