纳米Fe3O4对天然橡胶的性能影响及实验研究

摘要

天然橡胶作为一种天然高分子化合物，因其综合性能优异而被广泛应用于诸多领域。但天然橡胶又是一类非极性橡胶，固然存在一些性能上的缺陷。为了获得性能更加优异的天然橡胶制品，天然橡胶的改性研究就具有了重要的意义和价值。而纳米填料粒子因其具有表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特异性，使得纳米填充剂改性在天然橡胶的改性中占有非常重要的地位。
　　本课题选择改性后的纳米Fe3O4粒子作为纳米填料，分别以相对成熟的炭黑配方和白炭黑配方的天然橡胶为研究对象，通过实验研究纳米Fe3O4填料的粒径和添加量对天然橡胶性能的影响。主要研究的天然橡胶的性能有硫化性能、交联密度、物理机械性能以及导热性能等。并运用ANSYS软件对橡胶硫化过程中的温度场进行模拟分析，主要研究了在不同预热温度下橡胶硫化过程中的温度场，以及不同硫化时刻橡胶不同部位的温度场的对比。研究结果表明：
　　（1）随着纳米Fe3O4填料添加量的增加，胶料的最大转矩和交联密度均随之增大，而胶料的正硫化时间Tc90有所降低。表明纳米Fe3O4能够提高胶料的硫化效果，并且20nm的Fe3O4填料在添加量为12Phr~15Phr时，提升效果最佳。
　　（2）纳米Fe3O4填料的粒径越小、添加量越大，天然橡胶混炼胶的Payne效应越强。表明纳米Fe3O4粒越小、添加量大时，其分散性较差。
　　（3）随着纳米Fe3O4粒径的减小，硫化胶料的100％定伸应力、300%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度均有所增大，表明粒径小的纳米Fe3O4填料对天然橡胶的补强作用相对较好。同时随着纳米Fe3O4填料添加量的增加，胶料的上述性能总体上展现出先上升后下降的趋势，并且20nm的Fe3O4填料在添加量为12Phr时，胶料的物理机械性能最好。
　　（4）胶料的导热性能随纳米Fe3O4填料添加量的增加而逐渐提高，并且20nm的Fe3O4填料对复合材料的导热性能的提高在添加量超过12Phr后更加优异。
　　（5）通过橡胶厚制品硫化过程的温度场模拟可以看出，由于橡胶导热性能相对较差导致胶料内外的温升速率存在较大差距，从而降低了硫化的均匀性。而纳米Fe3O4填料可以提高胶料的导热性能，从而在一定程度上缩小这种差距。另一方面，提高胶料预热温度也能够提升硫化速率和硫化均匀性。
　　本文通过实验研究了纳米Fe3O4填料的粒径和添加量对不同配方天然橡胶综合性能的影响，为纳米Fe3O4填料在橡胶材料中的应用提供参考价值。

目录

符号说明

1绪论

1.1天然橡胶

1.2无机纳米填料在橡胶中的应用进展

1.3纳米Fe3O4概述

1.4本文研究的目的及意义、研究内容

2纳米无机填料增强理论

2.1纳米填料补强机理

2.2橡胶复合材料导热机理

3 纳米Fe3O4对炭黑配方橡胶性能影响

3.1引言

3.2实验目的及方案

3.3 实验主要原料及设备

3.4 试样制备

3.5 性能测试

3.6 实验结果与分析

3.7 本章小结

4 纳米Fe3O4对白炭黑配方橡胶性能影响

4.1引言

4.2 实验主要原料及设备

4.3 试样制备

4.4 性能测试

4.5 实验结果与分析

4.6 本章小结

5橡胶厚制品硫化过程中的温度场模拟

5.1 热传递基本理论

5.2 ANSYS热分析模块及瞬态分析简介

5.3 硫化过程中有限元模型

5.4传热状态仿真分析

5.5预热对硫化温度分布的影响

5.6本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文