丁腈橡胶复合材料的动态力学性能分析及分子模拟研究

发布时间：2017-05-14 13:17

  本文关键词：丁腈橡胶复合材料的动态力学性能分析及分子模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本课题采用全原子分子动力学模拟方法并与实验相结合从分子层面对有机小分子/丁腈橡胶复合材料的微观结构进行量化研究,分析了微观结构与材料阻尼性能之间的相互关系,解释了有机小分子增强橡胶阻尼材料阻尼性能的微观机理。研究主要内容包括：(1)相容性是选择合适有机杂化组分的重要依据,也对有机杂化橡胶阻尼材料的性能有决定性作用,所以对相容性与阻尼性的关系进行探讨；(2)橡胶阻尼材料作为一种重要的战略资源,对性能的要求越来越高,丁腈橡胶与聚氯乙烯共混材料这种新型橡塑并用材料的应用会带来更多的惊喜;(3)对橡胶阻尼材料来说,加工温度、压力对其最终的性能有较大的影响。基于以上内容,本课题的研究步骤如下：首先,采用分子模拟与实验结合的方式对含有受阻酚AO-60小分子的丁腈橡胶NBR复合材料微观结构及阻尼性能的关系进行了研究;其次对于不同丙烯腈含量的AO-60/NBR复合材料的微观结构进行定量研究,分析它们与材料相容性及阻尼性能之间的相互关系;再次对于受阻酚AO-80小分子增强NBR/PVC共混胶的阻尼性能与力学性能进行探讨；最后,对于不同AO-60含量的AO-60/NBR复合材料的温度、压力和体积之间的相互关系进行了讨论,根据复合材料的热膨胀系数和等温压缩系数随温度和压力的变化,对复合材料在实际加工过程中的尺寸稳定性进行了探讨。本论文的第一部分(论文第三章)研究中,制备了含有不同含量的受阻酚AO-60小分子的AO-60/NBR橡胶复合材料,通过分子模拟对体系的氢键、结合能和自由体积分数进行了分析,结果表明AO-60小分子与NBR基体间形成两种类型的氢键：AO-60小分子与NBR基体间的氢键及AO-60小分子间的氢键,并且当体系中AO-60含量达到一定值时(36份),AO-60/NBR (36/100)体系的氢键数量最多、结合能最大、自由体积分数最小,这都使得聚合物分子链的自由移动空间最小,内部摩擦力增强,破坏氢键所需要能耗最高。DSC和DMA实测结果证实AO-60含量为36份时,体系的相容性较好,阻尼性能最佳,而AO-60含量多于36份时,AO-60和基体间发生了相分离。结果表明可以通过控制体系中受阻酚小分子AO-60的含量,从而调节AO-60与NBR之间的氢键数量,以获得拥有最佳阻尼性能的复合材料。本论文的第二部分(论文第四章)研究中,采用分子模拟与实验相结合的方式研究了丙烯腈含量对NBR橡胶与受阻酚AO-60小分子相容性及阻尼性能的影响。研究发现受阻酚AO-60小分子与丙烯腈含量为41%的N220S基体相容性较差,与丙烯腈含量为34%的N230S基体相容性较好。在AO-60添加份数相同的情况下,AO-60/N230S复合材料比AO-60/N220S复合材料含有更多的氢键数量和更高的结合能,这些都意味着AO-60与N230S基体间有着更强的相互作用,从而N230S橡胶复合材料的阻尼性能更好。本论文的第三部分(论文第五章)研究中,通过分子模拟与实验结合的方式对不同AO-80含量的AO-80/NBR/PVC三元体系的微观结构、阻尼性能及力学性能进行了分析。分子模拟结果显示当AO-80小分子含量从0份添加到99份过程中,体系的氢键数量、结合能均是逐渐增加,因此预测体系的阻尼性能和力学性能都将逐步提高。SEM、DSC和DMA试验与模拟结果相一致。由于交联作用及拉伸过程中氢键的反复形成与破坏,AO-80/NBR/PVC体系拉伸强度增加。本论文的第四部分(论文第六章)研究中,对不同AO-60含量的AO-60/NBR复合材料进行了压力-体积-温度(PVT)测试。采用Tait方程对测试结果进行分析,并用Matlab数学软件对Tait方程进行拟合,得到了复合材料的Tait方程参数,并进一步对复合材料的热物性(热膨胀系数口和等温压缩系数β)进行分析。研究了复合材料的α和β与温度和压力的制约关系,发现体系热膨胀系数α和等温压缩系数β随着压力和温度的改变都会有所变化,但对压力更敏感,此复合材料的尺寸稳定性有待提高。
【关键词】：丁腈橡胶复合材料 分子模拟 动态力学性能 阻尼 受阻酚 氢键
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
【目录】：

• 学位论文数据集5-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-19
• 主要缩写符号和物理符号说明19-21
• 第一章 绪论21-46
• 1.1 课题来源21
• 1.2 橡胶阻尼材料的发展21-28
• 1.2.1 橡胶阻尼材料的发展及研究现状21-24
• 1.2.2 橡胶胶种对橡胶复合材料阻尼性能的影响24-25
• 1.2.3 小分子对橡胶复合材料阻尼性能的影响25-27
• 1.2.4 丁腈橡胶复合材料的发展及研究现状27-28
• 1.3 橡胶材料的动态力学性能分析28-31
• 1.3.1 动态力学性能29
• 1.3.2 动态力学性能的表征及测试29-31
• 1.4 分子模拟技术在橡胶方面的应用31-35
• 1.4.1 分子模拟技术的发展与方法31-33
• 1.4.2 分子动力学模拟33-34
• 1.4.3 目前分子动力学模拟在橡胶复合材料方面的应用34-35
• 1.5 论文选题的立论、目的和意义及研究内容和创新之处35-39
• 1.5.1 论文的立论、目的和意义35
• 1.5.2 本课题的主要研究内容35-36
• 1.5.3 技术方案(技术路线、技术措施)36-38
• 1.5.4 本课题的创新之处38-39
• 参考文献39-46
• 第二章 模拟方法与实验技术46-65
• 2.1 模拟方法46-56
• 2.1.1 力场选择46-47
• 2.1.2 模型搭建47-49
• 2.1.3 结构优化过程49
• 2.1.4 结构弛豫过程49-51
• 2.1.5 分子动力学模拟参数的获取51-56
• 2.2 实验部分56-62
• 2.2.1 实验原材料及配方设计56-57
• 2.2.2 实验设备及测试仪器57-58
• 2.2.3 橡胶复合材料的制备工艺流程58-60
• 2.2.4 实验表征测试方法60-62
• 参考文献62-65
• 第三章 分子模拟与实验对AO-60/NBR微观结构与阻尼性能分析65-85
• 3.1 引言65
• 3.2 受阻酚AO-60/NBR复合材料模拟分析65-76
• 3.2.1 AO-60/NBR复合材料的模拟策略65-67
• 3.2.2 模拟体系平衡的判定67-69
• 3.2.3 模拟对AO-60/NBR复合材料的氢键分析69-72
• 3.2.4 模拟对AO-60/NBR复合材料中结合能分析72
• 3.2.5 模拟对AO-60/NBR复合材料中径向分布函数分析72-74
• 3.2.6 模拟对AO-60/NBR复合材料的自由体积分数分析74-75
• 3.2.7 AO-60/NBR分子模拟部分小结75-76
• 3.3 受阻酚AO-60/NBR橡胶复合材料实验制备及表征76-82
• 3.3.1 AO-60/NBR橡胶复合材料的制备76
• 3.3.2 红外光谱对AO-60/NBR复合材料的分析76-77
• 3.3.3 核磁光谱对AO-60/NBR复合材料的分析77-79
• 3.3.4 AO-60/NBR复合材料的玻璃化转变分析79-80
• 3.3.5 AO-60/NBR复合材料的动态力学性能分析80-82
• 3.4 本章结论82
• 参考文献82-85
• 第四章 AO-60添加到不同NBR的分子模拟与实验结果对比85-100
• 4.1 引言85
• 4.2 AO-60添加到不同NBR基体的分子模拟研究85-91
• 4.2.1 不同丙烯腈含量的AO-60/NBR的建模过程85-89
• 4.2.2 不同丙烯腈含量的AO-60/NBR复合材料的氢键监测89-90
• 4.2.3 不同丙烯腈含量的AO-60/NBR复合材料的结合能90-91
• 4.3 AO-60添加到不同NBR基体的实验表征91-97
• 4.3.1 不同丙烯腈含量的AO-60/NBR复合材料的制备91
• 4.3.2 不同丙烯腈含量的AO-60/NBR复合材料的微观结构91-92
• 4.3.3 不同丙烯腈含量的AO-60/NBR复合材料的红外谱图92-94
• 4.3.4 DSC对不同丙烯腈含量的AO-60/NBR相容性验证94-95
• 4.3.5 不同丙烯腈含量的AO-60/NBR的动态力学性能95-97
• 4.4 本章结论97
• 参考文献97-100
• 第五章 分子模拟和实验对AO-80/NBR/VC结构与性能研究100-114
• 5.1 前言100-101
• 5.2 AO-80/NBR/PVC复合材料的分子模拟研究101-106
• 5.2.1 AO-80/NBR/PVC复合材料建模过程101-102
• 5.2.2 AO-80/NBR/PVC复合材料模拟分析102-106
• 5.3 AO-80/NBR/PVC复合材料的实验表征106-112
• 5.3.1 AO-80/NBR/PVC复合材料的制备106
• 5.3.2 AO-80/NBR/PVC复合材料的微观结构106-107
• 5.3.3 AO-80/NBR/PVC复合材料的红外谱图107-108
• 5.3.4 AO-80/NBR/PVC复合材料的玻璃化转变108-109
• 5.3.5 AO-80/NBR/PVC复合材料的动态力学性能109-111
• 5.3.6 AO-80/NBR/PVC复合材料的力学性能111-112
• 5.4 本章结论112
• 参考文献112-114
• 第六章 AO-60/NBR复合材料的压力-体积-温度关系与热物性分析114-127
• 6.1 引言114
• 6.2 AO-60/NBR复合材料的PVT关系114-118
• 6.2.1 AO-60/NBR复合材料的PVT测试114
• 6.2.2 AO-60/NBR复合材料物性参数114-115
• 6.2.3 AO-60/NBR复合材料PVT结果115-118
• 6.3 AO-60/NBR复合材料的热物性118-125
• 6.3.1 Tait方程结合Matlab软件对PVT数据的拟合118-121
• 6.3.2 热物性的分析121-125
• 6.4 结论125
• 参考文献125-127
• 第七章 总结和展望127-129
• 7.1 总结127-128
• 7.2 后续工作展望128-129
• 致谢129-131
• 研究成果及发表的学术论文目录131-133
• 作者和导师简介133-135
• 附件135-136

  本文关键词：丁腈橡胶复合材料的动态力学性能分析及分子模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：365285