氢化羧基丁腈橡胶基复合材料结构与性能的研究

论文摘要

通过溶液混合-机械共混-热压硫化法,制备了氢化羧基丁腈橡胶（HXNBR）/环氧环己基POSS复合材料,研究了复合材料的力学性能、介电性能、动态力学性能、疏水性能和交联程度。随着环氧环己基POSS含量的提高,复合材料的介电性能明显改善、玻璃化转变温度和储能模量提高,损耗因子降低,交联程度增大,疏水性能改善,但力学性能改善不大。此外,环氧环己基POSS与HXNBR的相容性良好。进一步研究了HXNBR/环氧环己基POSS的硫化动力学。根据DSC升温曲线,采用Kissinger、Flynn-Wall-Ozawa、Crane和单升温速率模型计算硫化动力学参数。结果表明,表观活化能受环氧环己基POSS的用量及升温速率的影响,总反应级数约为1;其中,单升温速率模型求得的表观活化能,66.90-104.13 kJ/mol,高于Kissinger和Flynn-Wall-Ozawa方法;计算得到的DSC放热曲线（（dα/dt）随温度的变化）和实验曲线基本一致。对比研究了氧化锌（ZnO）对HXNBR的增强。通过简单机械共混-热压硫化制备HXNBR/ZnO复合材料:利用羧基和氧化锌形成离子交联键,得到一种离子弹性体。其具有优异的力学性能,当氧化锌用量达到4份时,拉伸强度超过55 MPa,且出现应力硬化现象。动态力学分析表明,复合材料除了玻璃化转变外在高温处还有一转变区域为离子簇的解离。X射线衍射测试结果表明,应力硬化现象与离子弹性体在拉伸外力作用下产生结晶相或链段重新排列有关。根据扫描电镜分析,氧化锌粒子在HXNBR基体中的分散良好。通过溶液共沉淀-水热处理制备碱式碳酸锌,再和HXNBR机械共混、热压硫化,通过形成离子键得到具有荧光性能且优异力学性能的HXNBR/碱式碳酸锌（HXNBR/m-3Zn（OH）2·2ZnCO3）复合材料。观察到复合材料在353 nm处的紫外发射峰,归于羧基键合的氧化锌（-（C=O）-O-[ZnO]）。碱式碳酸锌粒子在HXNBR中分散性良好,且离子交联键增强HXNBR的效果显著,8份碱式碳酸锌的复合材料的拉伸强度达到50 MPa。透射电镜分析结果表明,经过水热处理的碱式碳酸锌在HXNBR基体中出现介孔尺寸的孔网络,且随着水热处理时间的增加,介孔尺寸减小,表面积增大,使得羧基键合的氧化锌（-（C=O）-O-[ZnO]）粒子的核-壳界面结构增加,从而荧光强度增加,力学性能提高。此外,碱式碳酸锌粉末及复合材料的热降解曲线表明:水热处理的碱式碳酸锌比未经处理的碱式碳酸锌的初始分解温度提高约60°C,碱式碳酸锌使HXNBR的初始分解温度提高约20°C。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 氢化羧基丁腈橡胶（HXNBR）
• 1.2 笼型多面体齐聚倍半硅氧烷（POSS）
• 1.2.1 POSS 定义
• 1.2.2 POSS 单体的合成
• 1.2.3 POSS 的特性
• 1.3 氧化锌和碱式碳酸锌
• 1.3.1 氧化锌的特性与应用
• 1.3.2 碱式碳酸锌的特性与应用
• 1.4 聚合物/POSS 复合材料
• 1.4.1 聚合物/POSS 复合材料的制备
• 1.4.1.1 物理共混法
• 1.4.1.2 化学共聚法
• 1.4.2 聚合物/POSS 复合材料的结构与性能
• 1.4.2.1 聚合物/POSS 复合材料的形态结构
• 1.4.2.2 聚合物/POSS 复合材料的使用温度
• 1.4.2.3 聚合物/POSS 复合材料的介电常数
• 1.4.2.4 聚合物/POSS 复合材料的力学性能
• 1.4.2.5 聚合物/POSS 复合材料的其他性能
• 1.5 聚合物/氧化锌（碱式碳酸锌）复合材料
• 1.5.1 熔融共混法
• 1.5.2 化学方法
• 1.6 本论文的研究内容和意义
• 参考文献
• 第二章 HXNBR/环氧环己基POSS 的硫化反应及复合材料性能的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要原料
• 2.2.2 样品制备
• 2.2.3 测试和表征
• 2.2.3.1 原位-傅立叶变换红外光谱（in situ FTIR）
• 2.2.3.2 差示扫描量热仪（DSC）
• 2.2.3.3 动态力学分析（DMA）
• 2.2.3.4 介电性能测试
• 2.2.3.5 力学性能测试
• 2.2.3.6 交联密度测试
• 2.2.3.7 接触角测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 原位-傅立叶变换红外光谱（in situ FTIR）
• 2.3.2 DSC 分析
• 2.3.3 动态力学性能分析
• 2.3.4 介电性能
• 2.3.5 力学性能
• 2.3.5.1 拉伸性能
• 2.3.5.2 拉伸应力软化
• 2.3.5.3 拉伸应力松弛
• 2.3.6 交联密度
• 2.3.7 接触角分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 HXNBR/环氧环己基POSS 复合物的硫化动力学
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 试样制备
• 3.2.3 差示扫描量热仪（DSC）
• 3.2.4 动力学模型推导
• 3.2.4.1 Kissinger 模型推导
• 3.2.4.2 Flynn-Wall-Ozawa 模型
• 3.2.4.3 Crane 模型
• 3.2.4.4 单升温速率模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Kissinger and Flynn-Wall-Ozawa 方法确定动力学参数
• 3.3.2 Crane 方法求总反应级数n
• 3.3.3 等转化率 Flynn-Wall-Ozawa 方法求不同转化率（α）时的动力学参数
• 3.3.4 单升温速率模型求动力学参数，以及计算曲线与实验曲线对比
• 3.4. 本章小结
• 参考文献
• 第四章 HXNBR/ZnO 离子弹性体的结构与力学特性
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 试样制备
• 4.2.3 表征
• 4.2.3.1 力学性能测试
• 4.2.3.2 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 4.2.3.3 动态力学分析（DMA）
• 4.2.3.4 X 射线衍射（XRD）测试
• 4.2.3.5 场发射扫描电子显微镜（FESEM）
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 力学性能特征
• 4.3.2 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 4.3.3 动态力学分析（DMA）
• 4.3.4 X 射线衍射（XRD）
• 4.3.5 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 一种具有荧光性能的氢化羧基丁腈橡胶/碱式碳酸锌复合材料
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 复合材料制备
• 5.2.3 性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 XRD 分析
• 5.3.2 热重分析（TGA）
• 5.3.3 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 5.3.4 复合材料的微观结构（TEM）
• 5.3.5 复合材料的光致发光性能（PL）
• 5.3.6 复合材料的力学性能
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 全文总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果