高强度、抗疲劳石墨烯/橡胶纳米复合材料的设计与制备
发布时间：2022-01-25 12:01
橡胶复合材料具有独特的粘弹性、低弹性模量和可逆形变等特性,在交通运输、密封防护、减震阻尼等领域具有重要应用。橡胶制品在实际使用时,需要长期经受准静态或者周期性动态载荷的作用,长此以往橡胶材料会逐渐破坏失效,带来巨大的安全隐患或者造成重大经济损失。因此,研究橡胶复合材料的疲劳性能对于橡胶制品的制备和使用具有重要意义。本论文探究并揭示填料类型、填料分散网络结构、填料与橡胶界面作用对橡胶复合材料力学强度以及疲劳性能的影响规律,从而为高强度、抗疲劳橡胶纳米复合材料的设计与制备提供了新的策略。本论文研究内容如下:（1）系统研究了球形白炭黑（SiO2）、管状碳纳米管（CNT）、片层氧化石墨烯（GO）三种不同形状系数填料单独使用时对丁苯橡胶（SBR）复合材料填料分散状态与填料网络微观结构、力学强度、裂纹扩展行为,以及裂纹断面形貌与元素分布等的影响。结果表明:CNT或GO更容易在较低填充量时形成互相搭接的填料网络,这种结构对于SBR复合材料的定伸应力提升显著;疲劳裂纹扩展速率和裂纹断面形貌与填料类型和用量密切相关;当三种不同填料增强的SBR复合材料具有相同硬度时,SiO2/SBR和GO/SBR复合材料...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１＿１白炭黑表面硅羟基结构??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｓｉｌｉｃｏｎ?ｈｙｄｒｏｘｙｌ?ｇｒｏｕｐｓ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｏｆ?ｓｉｌｉｃａ??
４５，４６］、静电自组装［４７］、表面活性剂修饰［４８］、表面物理包覆【４９］等作用对ＣＮＴ进行??改性，这些方法可提高ＣＮＴ在橡胶基体中的分散性，或者利用改性剂作为界面调节??剂强化ＣＮＴ与橡胶基体间的界面作用等。此外，ＣＮＴ与橡胶基体的复合手段对其分??散性也具有重要影响，比如采用乳液复合［５Ｑ，５１］、溶液复合１５２］或者超声波辅助分散混合??［５３］等也会对ＣＮＴ的分散性起到积极作用。??Ｂａｉ等［５４］将羟基封端硅橡胶（ＤＢＴＤＬ）通过共价键接枝在ＣＮＴ表面，制备过程??如图１－３所示，然后采用溶液复合法将其加入到甲基苯基硅橡胶（ＰＭＰＳ）中，改性后??的ＣＮＴ在ＰＭＰＳ中具有良好的分散性和较强的界面作用，ＰＭＰＳ复合材料的力学强??度和耐热稳定性明显改善。均匀分散的ＣＮＴ构建的填料网络一方面抑制了?ＰＭＰＳ在??氮气下的分解，另一方面抑制了空气中的氧气在ＰＭＰＳ基体中的扩散，从而有效提高??ＰＭＰＳ复合材料的阻隔性能。??ＣＮＴｓ－ＣＯＯＨ?Ｖ?ＣＮＴｓ－ＡＰＴＳ??．峰＃卜??ＣＮＴｓ－ＨＰＤＭＳ??Ｈ〇４ｒ？０?ｒ．??——＾斷＾７。＋屮??图１－３?ＣＮＴ表面接枝ＨＰＤＭＳ分子链机理示意图［５４］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ＨＰＤＭＳ?ｃｈａｉｎｓ?ｇｒａｆｔｉｎｇ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｏｆ?ＣＮＴｔ５４１??Ｙａｎｇ等人ｔ４９］利用罗丹宁分子在ＣＮＴ表面氧化聚合形成聚罗丹宁的包覆层，改善??ＣＮＴ的表面化学性质，利用橡胶工业中常用的双辊开炼机将聚罗丹宁包覆后的ＣＮＴ??与ＳＢＲ进行机械剪切复合，制备过程如图１－４所示。利用聚罗丹宁分子结构中异构变??形形成的巯基
?第一章绪论???Ｓｌｉｅ．ｒｌ．，?５??ＭＣＮＴ?ＰＣＮＴ＾＾?＂??Ｍ？ｌｔｉｗｉｌｌｃｔｒｌ？＿ＭＭｌ＿ｌ？?ＰｕｌｙｒｋＭｉｕｉＭＣＭｉｉｉｉｇ?Ｃｒｔｆｔｅ４ＳＢＩＵＩ？ｌａ?ＧＣＮＴ??图１－４聚多巴胺改性ＣＮＴ机理图［４９１??Ｆｉｇ．?１－４?Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｏｌｙｄｏｐａｍｉｎｅ?ｍｏｄｉｆｉｅｄ?ＣＮＴｔ４９］??１．３．３石墨烯概述??石墨烯是碳原子以ｓｐ２杂化结构形成的具有单原子厚度的二维片层碳材料，该材??料最早由曼彻斯特大学的Ｇｅｉｍ和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ教授在２００４年成功制备并且观察到单片??层的石墨烯结构［５５】。因为当时人们普遍认为，作为二维晶体的石墨烯在热力学上是不??稳定的，因此无法单独存在于自然界中［５６］。然而两位科学家通过巧妙的设计成功制备??并且观察到石墨烯片层结构，因此获得了?２０１０年诺贝尔物理学奖［５７］。石墨烯是碳材??料家族的基本结构组成单元，如图１－５所示，石墨烯包裹可以形成零维的富勒烯，卷??曲可以形成一维的碳纳米管，堆叠可以形成三维的石墨［５８］。石墨烯独特的结构和几何??尺寸赋予其许多独特的性能，比如超高的比表面积（２６３０?ｍ２／ｇ），优异的物理机械强??度（杨氏模量高达ｌＴＰａ，拉伸强度高达１３０?ＧＰａ）、超高的室温载流子迁移速率（１５０００??ｃｍＬＶ＋Ｓ－１），优异的导热（ＳＳＯＯＷ．ｍ＋Ｋ－１：＾５９］。这些优异的性能使它在电子屏蔽器件、??储能材料、纳米复合材料领域具有广阔的应用前景，石墨烯被誉为“２１世纪的神奇材??料”【６０］。??．钇滅縛騎致??％?ＳＩ??＾?ｉｓ??ｍ?鐵做??
【参考文献】：
期刊论文
[1]界面偶联剂KH550在氧化石墨烯/白炭黑纳米杂化填料中的应用研究[J]. 李鹏举,吴晓辉,卢咏来,张立群. 橡胶工业. 2019(08)
[2]利用万吨级合成橡胶连续液相混炼新技术制备的绿色轮胎达到世界先进水平[J]. 李令新. 橡塑技术与装备. 2017(17)
[3]石墨烯/弹性体纳米复合材料研究进展[J]. 温世鹏,柳东海,许宗超,黎研,彭同凯,张立群,刘力. 北京化工大学学报(自然科学版). 2015(06)
[4]石墨烯/橡胶纳米复合材料[J]. 唐征海,郭宝春,张立群,贾德民. 高分子学报. 2014(07)
[5]碳黑种类及用量对丁腈橡胶疲劳裂纹扩展的影响[J]. 曹刚,丛川波,孟晓宇,周琼,张士诚. 合成材料老化与应用. 2014(03)
[6]拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 吴娟霞,徐华,张锦. 化学学报. 2014(03)
[7]氯丁橡胶的改性研究进展[J]. 曾凤娟,刘作华,左赵宏,杜军,陶长元. 化工进展. 2013(06)
[8]炭黑/白炭黑补强硫化胶的疲劳过程及使用寿命预测[J]. 肖建斌,郭红革. 世界橡胶工业. 2006(01)
[9]白炭黑在橡胶类产品中的应用[J]. 刘昌荣. 橡胶科技市场. 2004(16)
[10]绿色轮胎研究的发展[J]. 刘力,张立群,冯予星,田明,吴友平,金日光. 橡胶工业. 1999(04)
硕士论文
[1]白炭黑表面接枝改性及其在橡胶中的应用[D]. 王兵兵.华南理工大学 2012
本文编号：3608500
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１＿１白炭黑表面硅羟基结构??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｓｉｌｉｃｏｎ?ｈｙｄｒｏｘｙｌ?ｇｒｏｕｐｓ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｏｆ?ｓｉｌｉｃａ??
４５，４６］、静电自组装［４７］、表面活性剂修饰［４８］、表面物理包覆【４９］等作用对ＣＮＴ进行??改性，这些方法可提高ＣＮＴ在橡胶基体中的分散性，或者利用改性剂作为界面调节??剂强化ＣＮＴ与橡胶基体间的界面作用等。此外，ＣＮＴ与橡胶基体的复合手段对其分??散性也具有重要影响，比如采用乳液复合［５Ｑ，５１］、溶液复合１５２］或者超声波辅助分散混合??［５３］等也会对ＣＮＴ的分散性起到积极作用。??Ｂａｉ等［５４］将羟基封端硅橡胶（ＤＢＴＤＬ）通过共价键接枝在ＣＮＴ表面，制备过程??如图１－３所示，然后采用溶液复合法将其加入到甲基苯基硅橡胶（ＰＭＰＳ）中，改性后??的ＣＮＴ在ＰＭＰＳ中具有良好的分散性和较强的界面作用，ＰＭＰＳ复合材料的力学强??度和耐热稳定性明显改善。均匀分散的ＣＮＴ构建的填料网络一方面抑制了?ＰＭＰＳ在??氮气下的分解，另一方面抑制了空气中的氧气在ＰＭＰＳ基体中的扩散，从而有效提高??ＰＭＰＳ复合材料的阻隔性能。??ＣＮＴｓ－ＣＯＯＨ?Ｖ?ＣＮＴｓ－ＡＰＴＳ??．峰＃卜??ＣＮＴｓ－ＨＰＤＭＳ??Ｈ〇４ｒ？０?ｒ．??——＾斷＾７。＋屮??图１－３?ＣＮＴ表面接枝ＨＰＤＭＳ分子链机理示意图［５４］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ＨＰＤＭＳ?ｃｈａｉｎｓ?ｇｒａｆｔｉｎｇ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｏｆ?ＣＮＴｔ５４１??Ｙａｎｇ等人ｔ４９］利用罗丹宁分子在ＣＮＴ表面氧化聚合形成聚罗丹宁的包覆层，改善??ＣＮＴ的表面化学性质，利用橡胶工业中常用的双辊开炼机将聚罗丹宁包覆后的ＣＮＴ??与ＳＢＲ进行机械剪切复合，制备过程如图１－４所示。利用聚罗丹宁分子结构中异构变??形形成的巯基
?第一章绪论???Ｓｌｉｅ．ｒｌ．，?５??ＭＣＮＴ?ＰＣＮＴ＾＾?＂??Ｍ？ｌｔｉｗｉｌｌｃｔｒｌ？＿ＭＭｌ＿ｌ？?ＰｕｌｙｒｋＭｉｕｉＭＣＭｉｉｉｉｇ?Ｃｒｔｆｔｅ４ＳＢＩＵＩ？ｌａ?ＧＣＮＴ??图１－４聚多巴胺改性ＣＮＴ机理图［４９１??Ｆｉｇ．?１－４?Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｏｌｙｄｏｐａｍｉｎｅ?ｍｏｄｉｆｉｅｄ?ＣＮＴｔ４９］??１．３．３石墨烯概述??石墨烯是碳原子以ｓｐ２杂化结构形成的具有单原子厚度的二维片层碳材料，该材??料最早由曼彻斯特大学的Ｇｅｉｍ和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ教授在２００４年成功制备并且观察到单片??层的石墨烯结构［５５】。因为当时人们普遍认为，作为二维晶体的石墨烯在热力学上是不??稳定的，因此无法单独存在于自然界中［５６］。然而两位科学家通过巧妙的设计成功制备??并且观察到石墨烯片层结构，因此获得了?２０１０年诺贝尔物理学奖［５７］。石墨烯是碳材??料家族的基本结构组成单元，如图１－５所示，石墨烯包裹可以形成零维的富勒烯，卷??曲可以形成一维的碳纳米管，堆叠可以形成三维的石墨［５８］。石墨烯独特的结构和几何??尺寸赋予其许多独特的性能，比如超高的比表面积（２６３０?ｍ２／ｇ），优异的物理机械强??度（杨氏模量高达ｌＴＰａ，拉伸强度高达１３０?ＧＰａ）、超高的室温载流子迁移速率（１５０００??ｃｍＬＶ＋Ｓ－１），优异的导热（ＳＳＯＯＷ．ｍ＋Ｋ－１：＾５９］。这些优异的性能使它在电子屏蔽器件、??储能材料、纳米复合材料领域具有广阔的应用前景，石墨烯被誉为“２１世纪的神奇材??料”【６０］。??．钇滅縛騎致??％?ＳＩ??＾?ｉｓ??ｍ?鐵做??
【参考文献】：
期刊论文
[1]界面偶联剂KH550在氧化石墨烯/白炭黑纳米杂化填料中的应用研究[J]. 李鹏举,吴晓辉,卢咏来,张立群. 橡胶工业. 2019(08)
[2]利用万吨级合成橡胶连续液相混炼新技术制备的绿色轮胎达到世界先进水平[J]. 李令新. 橡塑技术与装备. 2017(17)
[3]石墨烯/弹性体纳米复合材料研究进展[J]. 温世鹏,柳东海,许宗超,黎研,彭同凯,张立群,刘力. 北京化工大学学报(自然科学版). 2015(06)
[4]石墨烯/橡胶纳米复合材料[J]. 唐征海,郭宝春,张立群,贾德民. 高分子学报. 2014(07)
[5]碳黑种类及用量对丁腈橡胶疲劳裂纹扩展的影响[J]. 曹刚,丛川波,孟晓宇,周琼,张士诚. 合成材料老化与应用. 2014(03)
[6]拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 吴娟霞,徐华,张锦. 化学学报. 2014(03)
[7]氯丁橡胶的改性研究进展[J]. 曾凤娟,刘作华,左赵宏,杜军,陶长元. 化工进展. 2013(06)
[8]炭黑/白炭黑补强硫化胶的疲劳过程及使用寿命预测[J]. 肖建斌,郭红革. 世界橡胶工业. 2006(01)
[9]白炭黑在橡胶类产品中的应用[J]. 刘昌荣. 橡胶科技市场. 2004(16)
[10]绿色轮胎研究的发展[J]. 刘力,张立群,冯予星,田明,吴友平,金日光. 橡胶工业. 1999(04)
硕士论文
[1]白炭黑表面接枝改性及其在橡胶中的应用[D]. 王兵兵.华南理工大学 2012
本文编号：3608500
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