發(fā)布時(shí)間：2020-06-21 06:26

【摘要】：橡膠產(chǎn)品因其具有高彈性、絕緣性、耐酸堿腐蝕性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于日常生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、電子通訊、汽車制造和航天航空等領(lǐng)域。其中填料在橡膠中起著至關(guān)重要的作用,可以彌補(bǔ)橡膠本身缺陷,增強(qiáng)產(chǎn)品的性能。目前工業(yè)中常見的補(bǔ)強(qiáng)填料主要為炭黑和白炭黑——二氧化硅兩種,但它們都屬于不可再生的礦物產(chǎn)品,由于礦物資源短缺和填料生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)重污染環(huán)境,急需尋找可再生資源作為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品,代替炭黑和二氧化硅。稻殼灰,作為一種可再生的生物質(zhì)資源稻殼燃燒或熱解后的產(chǎn)物,由二氧化硅和炭?jī)煞N成分組成,因此稻殼灰被認(rèn)為有潛力可以代替或部分代替炭黑和/或白炭黑成為橡膠填料。首先,本論文探究了硅炭黑(SiCB)與商業(yè)炭黑理化性能的差異,為硅炭黑的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);其次將硅炭黑填充到天然橡膠中,比較填料份數(shù)對(duì)硫化膠力學(xué)性能和黏彈性能的影響,綜合分析了硅炭黑作為一種橡膠填料的可能性和特點(diǎn);最后,對(duì)硅炭黑表面進(jìn)行改性,探究了改性條件對(duì)硅炭黑表面結(jié)構(gòu)的影響,進(jìn)而研究了硅炭黑與橡膠基體間的界面相互作用。取得的研究結(jié)果如下:1.硅炭黑中二氧化硅和炭的質(zhì)量比例大約為1:1,由于稻殼天然的納米結(jié)構(gòu),熱解后一部分炭包覆在二氧化硅納米粒子表面,能有效避免二氧化硅的自身團(tuán)聚。硅炭黑的比表面積高達(dá)239.42 m~2/g,這歸結(jié)于硅炭黑繼承自稻殼炭化時(shí)所形成的孔隙結(jié)構(gòu)。硅炭黑保留了稻殼炭化后形成的孔隙結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)與炭黑不同,不存在呈葡萄球狀的鏈狀分布,而是由粒徑約20 nm左右的小球聚集成的約為300nm的團(tuán)聚體。2.為了評(píng)估SiCB在橡膠內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)作用并推測(cè)SiCB的補(bǔ)強(qiáng)能力和補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理模型。將不同填料phr的硅炭黑和炭黑填充到天然橡膠中,隨著填料phr的增加,混煉膠硫化曲線中的最高扭矩和最低扭矩都有所增加,填料為硅炭黑的混煉膠的焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間要比FEF(Fast Extruding Furnace Carbon Black)低一些。在一定范圍內(nèi),隨著填料量的增加,硫化膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均呈降低的趨勢(shì),定伸應(yīng)力卻呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。并且硅炭黑的斷裂伸長(zhǎng)率要明顯優(yōu)于FEF。3.由于SiCB與天然膠復(fù)合彈性體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)應(yīng)變下的變化,可以直接用以描述彈性體的黏彈性能。因此我們針對(duì)SiCB填充橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變描述、Mullins效應(yīng)和應(yīng)力松弛進(jìn)行一系列測(cè)試,分析研究硅炭黑作為橡膠填料更多可能的優(yōu)勢(shì),擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SiCB作為一種新的填料,其在天然橡膠中與炭黑等傳統(tǒng)填料一樣也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力軟化和應(yīng)力松弛現(xiàn)象,并且在填料phr相同的情況下,以SiCB為填料的硫化膠要比SRF(Semi-Reinforcing Furnace Carbon Black)的對(duì)應(yīng)試樣體現(xiàn)出更好的黏彈性。在單軸拉伸情況下,50 phr的SRF和SiCB在350%應(yīng)變下第四次循環(huán)加卸載之后的應(yīng)力最大值,分別較第三次的下降4.60%和3.30%;同時(shí),在定應(yīng)變應(yīng)力松弛中,70 phr的SRF和SiCB松弛因子分別為0.67和0.75。SiCB比SRF體現(xiàn)出更好的抗應(yīng)力軟化特性和抗松弛特性。4.利用酚醛樹脂對(duì)SiCB的表面進(jìn)行改性處理。探究改性條件對(duì)硅炭黑表面結(jié)構(gòu)的影響,研究硅炭黑界面與橡膠基體間的相互作用。結(jié)果表明硅炭黑的改性條件對(duì)硅炭黑填充NR/BR硫化膠的力學(xué)性能有重要影響。在填料量為180 g,改性溫度為100℃,反應(yīng)時(shí)間為10 min,PF用量為3%時(shí),使用200 ml雙軸密煉設(shè)備得到了最佳改性條件。在最佳條件下改性后的硅炭黑制備出的硫化膠的拉伸強(qiáng)度為7.07 MPa,撕裂強(qiáng)度為26.42 kN/m,300%定伸應(yīng)力3.34 MPa,并且已經(jīng)達(dá)到了半補(bǔ)強(qiáng)炭黑SRF的補(bǔ)強(qiáng)效果(拉伸強(qiáng)度為6.46 MPa,撕裂強(qiáng)度為27.36kN/m,300%定伸應(yīng)力為3.69 MPa)。5.根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),改性溫度對(duì)300%定伸應(yīng)力的結(jié)果影響最大。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)改變反應(yīng)溫度,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,硅炭黑填充NR/BR硫化膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和300%定伸應(yīng)力都會(huì)先升高后降低,在100℃時(shí)達(dá)到最大值,和未改性的SiCB相比分別增加了73.71%、21.08%和16.78%。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ330.15;TQ127.2

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本文編號(hào)：2723667