特种橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的结构与性能研究

特种橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的结构与性能研究

论文摘要

本课题采用实验室自制的有机蒙脱土,通过机械混炼插层法制备了多种特种橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料。采用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)研究了纳米复合材料的结构,研究了蒙脱土含量对纳米复合材料的力学性能、热稳定性能、耐油性能等的影响。采用动态热机械分析仪(DMTA)研究了复合材料的动态力学性能。透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪结果显示:氟橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料为插层型纳米复合材料,氢化丁腈橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料为剥离型纳米复合材料,氯磺化聚乙烯/有机蒙脱土纳米复合材料为剥离型和插层型共存的纳米复合材料,蒙脱土片层均匀的分布在橡胶基体中,统计表明片层的平均厚度约为10nm,最大的聚集体的片层厚度达到40nm,推断有一小部分片层剥离成单晶层的形式,厚度为1nm。力学性能结果显示,有机蒙脱土具有极高的长径比以及其在橡胶中的精细分散结构使得特种橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料具有优异的力学性能。橡胶/蒙脱土纳米复合材料的硬度、拉伸强度和拉断仲长率远高于碳黑填充体系。在蒙脱土含量较低时,复合材料的力学性能随蒙脱土含量的增加而增大。研究了特种橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的热稳定性、耐油性能和老化性能。结果显示,由于蒙脱土片层具有优异的气体阻隔性能,该类橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有优异的热稳定性和耐油性能。老化后由于复合材料的交联网络更加均匀,纳米复合材料的拉伸强度、定伸应力均有较大的提高。蒙脱土在小用量下可以提高特种橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的耐磨耗性能,用量增加到一定值时,由于蒙脱土聚集体的形成而导致应力集中,对复合材料的磨耗性能产生负面影响。采用动态热机械分析仪(DMTA)研究橡胶/蒙脱土纳米复合材料的动态力学性能,结果显示:与其它填料相比,具有较高长径比的蒙脱土对橡胶大分子链有更强的限制作用,因此橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有优异的动态力学性能,纳米复合材料在保持原有抗湿滑性能的同时具有更小的滚动阻力。油封干磨试验结果显示,蒙脱土的加入使得氟橡胶、氢化丁腈橡胶油封的干磨性能提高,因此提高橡胶油封的使用寿命。并对橡胶/蒙脱土纳米复合材料的补强机理、耐溶剂性能以及耐干磨机理进行了探讨。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 引言
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 纳米复合材料综述
  • 1.2 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的概述
  • 1.2.1 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法
  • 1.2.2 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的结构
  • 1.3 蒙脱土的结构及其改性概述
  • 1.3.1 蒙脱土的结构特点
  • 1.3.2 蒙脱土的改性
  • 1.4 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的表征
  • 1.4.1 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的热力学分析
  • 1.4.2 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的动力学分析
  • 1.4.3 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的表征技术
  • 1.5 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的研究
  • 1.5.1 有机蒙脱土对橡胶的补强作用
  • 1.5.2 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的性能
  • 1.5.3 橡胶/蒙脱土纳米复合材料结构与性能的关系
  • 1.5.4 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的优点
  • 1.5.5 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的应用与展望
  • 第二章 实验部分
  • 2.1 原材料及主要实验仪器
  • 2.1.1 实验原材料
  • 2.1.2 实验仪器
  • 2.2 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的制备
  • 2.2.1 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的制备工艺
  • 2.2.2 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的硫化配方及硫化条件
  • 2.3 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的性能测试
  • 第三章 氟橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的结构与性能
  • 3.1 不同编号蒙脱土/氟橡胶纳米复合材料的常规性能对比
  • 3.1.1 FKM/OMMT纳米复合材料的力学性能对比
  • 3.1.2 FKM/OMMT纳米复合材料老化性能对比
  • 3.1.3 FKM/OMMT纳米复合材料耐油性能对比
  • 3.2 FKM/OMMT纳米复合材料的微观结构
  • 3.2.1 FKM/OMMT纳米复合材料的TEM分析
  • 3.2.2 FKM/OMMT纳米复合材料的XRD分析
  • 3.3 FKM/OMMT纳米复合材料的硫化曲线
  • 3.4 FKM/OMMT纳米复合材料的力学性能
  • 3.4.1 FKM/OMMT纳米复合材料与炭黑补强复合材料性能对比
  • 3.4.2 FKM/OMMT纳米复合材料的常态力学性能
  • 3.4.3 FKM/OMMT纳米复合材料的耐老化性能
  • 3.4.4 FKM/OMMT纳米复合材料的耐油性能
  • 3.4.5 FKM/OMMT纳米复合材料的应力应变曲线
  • 3.5 FKM/OMMT纳米复合材料的TGA分析
  • 3.6 FKM/OMMT纳米复合材料的动态力学性能
  • 3.7 FKM/OMMT纳米复合材料的压缩永久变形
  • 3.8 纳米蒙脱土在油封胶料的应用试验
  • 3.9 本章小结
  • 第四章 氢化丁腈橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的结构与性能
  • 4.1 不同编号蒙脱土/氢化丁腈橡胶纳米复合材料的常规性能对比
  • 4.2 HNBR/OMMT纳米复合材料的微观结构分析
  • 4.2.1 HNBR/OMMT纳米复合材料的TEM分析
  • 4.2.2 HNBR/OMMT纳米复合材料的XRD分析
  • 4.3 HNBR/OMMT纳米复合材料的性能研究
  • 4.3.1 HNBR/OMMT纳米复合材料的硫化曲线
  • 4.3.3 蒙脱土含量对复合材料力学性能的影响
  • 4.3.3 HNBR/OMMT纳米复合材料的应力应变曲线
  • 4.4 HNBR/OMMT纳米复合材料的耐老化与耐油性能
  • 4.5 HNBR/OMMT纳米复合材料的动态力学性能
  • 4.6 HNBR/OMMT纳米复合材料的TGA分析
  • 4.7 HNBR/OMMT纳米复合材料的在油中的体积变化率
  • 4.7.1 蒙脱土含量对复合材料体积变化率的影响(1#标准油)
  • 4.7.2 蒙脱土含量对复合材料体积变化率的影响(3#标准油)
  • 4.8 HNBR/OMMT纳米复合材料的压缩永久变形
  • 4.9 纳米蒙脱土在油封胶料中的应用
  • 4.10 本章小结
  • 第五章 氯磺化聚乙烯/有机蒙脱土纳米复合材料的结构与性能
  • 5.1 不同编号蒙脱土/氯磺化聚乙烯纳米复合材料的常规性能对比
  • 5.1.1 CSM/OMMT纳米复合材料的拉伸强度对比
  • 5.1.2 CSM/OMMT纳米复合材料的拉断伸长率对比
  • 5.1.3 CSM/OMMT纳米复合材料的撕裂强度对比
  • 5.1.4 CSM/OMMT纳米复合材料的硬度对比
  • 5.1.5 CSM/OMMT纳米复合材料的正硫化时间对比
  • 5.2 CSM/OMMT纳米复合材料的微观结构分析
  • 5.2.1 CSM/OMMT纳米复合材料的TEM分析
  • 5.2.2 CSM/OMMT纳米复合材料的XRD分析
  • 5.3 有机蒙脱土含量对CSM/OMMT纳米复合材料的性能影响
  • 5.3.1 CSM/OMMT纳米复合材料的硫化曲线
  • 5.3.2 有机蒙脱土含量对纳米复合材料的拉伸力学性能的影响
  • 5.3.3 有机蒙脱土含量对纳米复合材料在油中浸泡后力学性能的影响
  • 5.3.4 有机蒙脱土含量对纳米复合材料油中在浸泡后体积变化率的影响
  • 5.3.5 有机蒙脱土含量对纳米复合材料的热老化性能的影响
  • 5.4 有机蒙脱土含量对纳米复合材料压缩永久变形的影响
  • 5.5 CSM/OMMT纳米复合材料的TGA分析
  • 5.6 CSM/OMMT纳米复合材料的耐酸碱性能
  • 5.7 本章小结
  • 第六章 橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的理论探讨
  • 6.1 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的耐油性能理论探讨
  • 6.2 蒙脱土增强橡胶理论探讨
  • 6.3 蒙脱土增强橡胶耐干磨性能理论探讨
  • 6.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间的研究成果
  • 致谢
  • 相关论文文献

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