固相改性钙基蒙脱土及其在橡胶中的应用

摘要

利用层状硅酸盐制备的聚合物纳米复合材料具有优异的综合性能，已成为当今材料科学研究的热点。但是迄今为止其工业化应用依然很少，究其原因主要是聚合物与层状硅酸盐纳米复合技术通常需要先将层状硅酸盐与季铵盐等改性剂在水悬浮液中进行繁杂的有机化改性而导致成本剧增，同时由于季胺盐等改性剂与橡胶大分子之间缺乏反应活性，导致在常用的机械混炼插层制备过程中插层效率低下。
　　 我国蒙脱土资源绝大多数为钙基蒙脱土，不能直接在聚合物中应用，必须先在水相中进行钠化转变成钠基蒙脱土，然后进行有机化改性，才能与聚合物实现插层复合。为了最大限度降低有机蒙脱土成本，以实现聚合物/蒙脱土复合材料的工业化应用，本论文以钙基蒙脱土为原料，研究一种在固相状态下直接进行有机改性的方法，该方法具有无需钠化、工艺简单、成本低、无环境污染等优点，呈现出良好的工业应用前景。
　　 首先，通过X射线衍射、红外光谱、粒径分析和热重分析研究了固相改性蒙脱土的结构和性能，选择了季胺盐和偶联剂复合改性作为固相改性钙基蒙脱土的改性剂。以固相改性有机蒙脱土或固相改性有机蒙脱土/半补强炭黑（CB）并用作为填料，添加到丁苯橡胶（SBR）、天然橡胶（NR）或丁腈橡胶（NBR）中，采用机械混炼法分别制备了SBR/有机蒙脱土纳米复合材料、NR/有机蒙脱土纳米复合材料和NBR/有机蒙脱土纳米复合材料以及SBR/CB/有机蒙脱土纳米复合材料、NR/CB/有机蒙脱土纳米复合材料和NBR/CB/有机蒙脱土纳米复合材料。通过X-射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、熟重分析仪（TGA）、热机械分析仪（DMA）等测试手段以及力学性能测试、硫化测试等方法研究了材料的形态、结构与性能，初步探讨了橡胶/炭黑体系中有机蒙脱土部分代替炭黑的可能性。
　　 研究结果表明：固相改性后的蒙脱土与橡胶基体具有很好的相容性。在机械混炼和硫化过程中，橡胶大分子链插层进入蒙脱土的层间，层间距扩大，以纳米级均匀分散于橡胶基体中，形成了插层型纳米复合材料。橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的定伸应力、拉伸强度、撕裂强度、邵氏A硬度等静态力学性能以及热稳定性获得显著的提高。DMA结果显示橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的滚动阻力、抗湿滑性等动态性能优于橡胶/未改性钙基蒙脱土复合材料。有机蒙脱土用量分别为30份、3份和15份时，SBR/有机蒙脱土纳米复合材料、NR/有机蒙脱土纳米复合材料和NBR/有机蒙脱土纳米复合材料的综合物理机械性能最佳。
　　 炭黑与有机蒙脱土填料并用体系的研究结果表明：适当用量的有机蒙脱土取代炭黑时，可以改善材料的力学性能、动态力学性能等。20phr SCM的加入提高了SBR/CB/SCM复合材料的耐屈挠性能；而3phr CST的加入对NR/CB/CST复合材料的耐屈挠性能有一定的损失，不过可提高NR/CB/CST复合材料的耐磨性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料

1.2.1 蒙脱土的晶体及结构特点

1.2.2 蒙脱土的改性

1.2.3 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法

1.2.4 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的结构特点

1.2.5 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的插层热力学及动力学研究

1.2.6 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的性能

1.3 橡胶/蒙脱土纳米复合材料

1.3.1 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的制备方法

1.3.2 橡胶/蒙脱土纳米复合材料的性能

1.4 高性能轮胎用橡胶材料的研究

1.4.1 高性能炭黑的开发与使用

1.4.2 白炭黑的使用与改性

1.4.3 其它无机填料

1.5 本论文的目的意义、研究内容和创新之处

1.5.1 研究内容

1.5.2 创新之处

第二章 固相法改性钙基蒙脱土的研究

2.1 本论文钙基蒙脱土有机改性的设计

2.2 实验部分

2.2.1 主要原材料

2.2.2 钙基蒙脱土的固相改性

2.2.3 分析测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 不同改性剂所得有机土的XRD分析

2.3.2 不同改性剂所得有机土的红外分析

2.3.3 不同改性剂所得有机土的粒径分布测试

2.3.4 不同改性剂所得有机土的TGA分析

2.4 本章小结

第三章 有机蒙脱土在丁苯橡胶中的应用

3.1 实验部分

3.1.1 主要原材料及配方

3.1.2 材料制备

3.1.3 分析测试

3.2 结果与讨论

3.2.1 丁苯橡胶/蒙脱土纳米复合材料的研究

3.2.2 丁苯橡胶/炭黑/蒙脱土纳米复合材料的性能研究

3.3 本章小结

第四章 有机蒙脱土在天然橡胶中的应用

4.1 实验部分

4.1.1 主要原材料及配方

4.1.2 材料制备

4.1.3 分析测试

4.2 结果与讨论

4.2.1 天然橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的研究

4.2.2 天然橡胶/炭黑/蒙脱土纳米复合材料的性能研究

4.3 本章小结

第五章 有机蒙脱土在丁腈橡胶中的应用

5.1 实验部分

5.1.1 主要原材料及配方

5.1.2 材料制备

5.1.3 分析测试

5.2 结果与讨论

5.2.1 丁腈橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的研究

5.2.2 丁腈橡胶/炭黑/有机蒙脱土复合材料的研究

5.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢