【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能、環(huán)保意識的提高,人們對橡膠材料的制備和應(yīng)用性能提出了更高的要求。憑借高的補強效率和優(yōu)異的功能性,橡膠納米復(fù)合材料在實驗室研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都備受關(guān)注。橡膠納米復(fù)合材料的性能/功能與其界面性質(zhì)密切相關(guān)。許多納米填料是無機填料,因此與烯烴橡膠的界面作用弱。通過界面改性實現(xiàn)界面性質(zhì)調(diào)控,實現(xiàn)橡膠復(fù)合材料高性能化和功能化的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。強界面相互作用可以實現(xiàn)高形狀系數(shù)填料的有效分散、降低界面滲透性,有效提高彈性體的阻隔性能;白炭黑是綠色輪胎的主要增強劑,白炭黑與橡膠之間的界面性能調(diào)控是綠色輪胎的動態(tài)性能(降低滾動阻力和提高抗?jié)窕阅?優(yōu)化的主要技術(shù)途徑之一�；谶@一背景,作者在橡膠/二維勃姆石復(fù)合材料和橡膠/白炭黑復(fù)合材料兩種典型體系中開展工作。通過原位界面改性實現(xiàn)了橡膠/勃姆石復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的調(diào)控,大幅提高了橡膠的阻隔性能;在橡膠/白炭黑體系中,通過調(diào)控白炭黑表面化學(xué),實現(xiàn)了界面性能的調(diào)控和優(yōu)化,獲得了滾動阻力和抗?jié)窕阅艿钠胶狻Ｖ饕獌?nèi)容如下:(1)基于勃姆石片層(BM)表面羥基的反應(yīng)性,探究單寧酸和磷酸酯與BM的反應(yīng)機理,并分別采用單寧酸和磷酸酯作為BM的原位改性劑。單寧酸通過配位作用實現(xiàn)BM的原位修飾,修飾顆粒表面的鄰醌基團與橡膠形成界面共交聯(lián);不飽和磷酸酯通過縮合反應(yīng)實現(xiàn)BM的原位修飾,修飾顆粒通過雙鍵與橡膠實現(xiàn)界面共交聯(lián)。詳細研究了橡膠/BM復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)對橡膠力學(xué)性能和阻隔性能的影響。通過磷酸酯分子結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效調(diào)控復(fù)合材料界面強度,實現(xiàn)高阻隔性能橡膠復(fù)合材料的制備。(2)采用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)對白炭黑進行預(yù)改性,通過控制預(yù)反應(yīng)條件制備接枝密度可控的改性白炭黑,實現(xiàn)白炭黑表面性質(zhì)的精細調(diào)控。進一步探究白炭黑表面性質(zhì)對分散和界面性能的影響:改性白炭黑的表面能下降可以有效改善其在橡膠基體中的分散,與熱力學(xué)方程的預(yù)測結(jié)果一致;在硅烷偶聯(lián)劑改性體系中,白炭黑分散改善可以增大原位硅烷化反應(yīng)的接觸面積,進而增大了復(fù)合材料的界面區(qū)域,增強了界面相互作用。同時改善的分散和界面性能促使復(fù)合材料的力學(xué)性能和動態(tài)性能均得到明顯改善。(3)利用三(五氟苯基)硼烷催化下硅氫鍵與硅羥基之間的快速反應(yīng),采用聚甲基氫硅氧烷(PMHS)對白炭黑進行表面改性,實現(xiàn)白炭黑的高效官能化。硅氫烷改性在顯著改善白炭黑表面性質(zhì)的同時,保留了改性白炭黑的反應(yīng)性,可以同時改善復(fù)合材料的填料分散和界面強度。僅1.5 wt%的硅氫烷接枝率下,改性白炭黑填充的復(fù)合材料不僅力學(xué)性能大幅提高(拉伸模量提高了116%),動態(tài)性能也得到顯著改善(抗?jié)窕蕴岣吡?16%,同時滾動阻力降低了26%),實現(xiàn)滾動阻力和抗?jié)窕阅艿钠胶�。這一改性方法的高效快捷,改性復(fù)合材料體系具有優(yōu)異的力學(xué)性能和動態(tài)性能,因此在高性能節(jié)能綠色輪胎橡膠中具有應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB332
【圖文】：

1-1 （a）不同溫度下復(fù)合材料的填料增強效率與束縛分子層含量的依賴關(guān)系。（b填料顆粒附近束縛分子層的結(jié)構(gòu)示意圖[31]igure 1-1 (a) The dependence of reinforcing effects on rigid fraction at different temperatu(b) Schematic illustration of glass layer around filler particle[31].3.2 界面結(jié)構(gòu)對阻隔性能的影響在橡膠納米復(fù)合材料中，氣體的傳輸機制與在半結(jié)晶聚合物中的傳輸相似，納米則是不可滲透相，橡膠基體被認為是可滲透相，橡膠基體中氣體的傳輸機制符合 F律，橡膠基體保持著純橡膠的傳輸性質(zhì)。在納米復(fù)合材料中，氣體的溶解度會隨聚基體的體積分數(shù)減少而下降，同時氣體在復(fù)合材料中的擴散系數(shù)會由于氣體擴散路曲折而下降。氣體擴散路徑的曲折程度主要由納米填料的分散狀態(tài)和尺寸形狀aspect ratio）決定。[11]除了填料的分散狀況和尺寸形狀比，影響滲透率的另外一個重要因素是界面相互

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文界面的納米復(fù)合材料的氣體阻隔性能更優(yōu)異。[41]相似的，VPR/氧化石墨烯（Grapheoxide，GO）納米復(fù)合材料的氣體阻隔性能也由于離子鍵界面得到顯著提高。[42]Tang 等人采用膠乳混合共沉聚的方法制備 VPR/GO 納米復(fù)合材料，通過選用不同絮凝劑（氯化氫和氯化鈣）可以分別形成不同鍵合類型的界面（氫鍵與離子鍵），形成離子鍵界面的復(fù)合材料的 N2滲透率明顯低于氫鍵界面，其界面設(shè)計與阻隔性能如圖 1-2 所示。[42]結(jié)合寬頻介電測試的結(jié)果可知，氣體阻隔性能的提高應(yīng)該歸因于改善的填料分散，增強的界面相互作用和受限的分子運動。[20]構(gòu)筑離子鍵界面改善復(fù)合材料的氣體阻隔性能已經(jīng)被證明在生物基彈性體復(fù)合材料具有良好的應(yīng)用前景。[43, 44]

【參考文獻】

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本文編號：2713050