SiC纳米线的改性及其橡胶基纳米复合材料的制备、机理及性能研究

摘要

碳化硅纳米线（SiCNWs）具有大的比表面积和高的长径比以及优异的物理和化学性质如高强度、高熔点、高导热率以及耐腐蚀等特性。作为聚合物基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等材料的增强相，而且对上述材料的增强效果较为显著。因此，SiCNWs对高分子聚合物来说可能是一种具有优异增强作用的候选材料。氟橡胶（FKM）和丁腈橡胶（NBR）都具有优异的耐高温、耐溶剂和耐候性等特性，主要应用在密封橡胶领域如密封圈、密封垫片等，为了提高这两种橡胶的性能，通过添加纳米填料是一种有效的措施。因此本文主要研究了SiCNWs的改性及以 SiCNWs和改性碳化硅纳米线（m-SiCNWs）为添加剂制备的 SiCNWs/FKM、m-SiCNWs/FKM和 SiCNWs/NBR纳米复合材料的力学性能、导热性能和耐磨性等性能。此外，还对SiCNWs的改性机理和增强橡胶的机理进行了研究。研究内容主要有以下三个方面：
　　（1）使用不同的硅烷偶联剂：3-（三甲氧基甲硅基）甲基丙烯酸丙酯（KH570）和十七氟癸基三乙氧基硅烷（AC-FAS）分别对SiCNWs进行疏水改性。采用傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、表面接触角测试、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、元素分析（EDS）等表征手段，对SiCNWs和m-SiCNWs的形貌及改性效果进行了表征，并提出了改性机理。KH570改性SiCNWs时，研究了溶剂种类（水、乙醇、水和乙醇体积比为1:1）和 KH570的用量（体积分数为1％、2%、3%和4%）分别对SiCNWs疏水改性效果的影响。测试结果表明，以水为溶剂时，对SiCNWs的改性效果较好。当改性温度为80℃，改性时间为3 h时， KH570在水中的最佳体积分数为2%，此时对SiCNWs的改性效果最好，SiCNWs表面的水接触角达到最大，为119.5°；AC-FAS改性SiCNWs时，研究了改性温度、改性时间和改性剂用量分别对SiCNWs疏水改性效果的影响。测试结果表明，改性温度为40℃，改性时间为2 h，改性剂的体积分数为2%时，对SiCNWs的改性效果最好，此时SiCNWs表面的水接触角达到最大，为122.5°。
　　（2）利用双酚AF/BPP硫化体系，研究了FKM二段硫化温度（分别为200℃、230℃、260℃和290℃）和二段硫化时间（0 h、8 h、16 h、24 h、32 h和40 h）分别对拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度、压缩永久变形以及动态力学性能的影响。确定了FKM最佳的二段硫化温度和二段时间分别为260℃和24 h。在确定的二段硫化温度和时间下，制备了SiCNWs/FKM和m-SiCNWs/FKM纳米复合材料，提出了m-SiCNWs对FKM增强的机理。研究了SiCNWs和m-SiCNWs（用量为0份、2份、5份、9份和14份）分别对FKM拉伸强度、撕裂强度、硬度、模量、断裂伸长率、导热率等性能的影响。测试结果表明：随着 SiCNWs和 m-SiCNWs用量的增加，SiCNWs/FKM和m-SiCNWs/FKM纳米复合材料的撕裂强度、模量、硬度和导热率都得到了增强；当纳米线的用量为14份时，与纯FKM相比：m-SiCNWs/FKM和SiCNWs/FKM纳米复合材料的100%定伸应力分别提高了102.0%和58.8%，撕裂强度分别提高了17.6%和13.6%，100℃时的导热率分别提高了56.9%和24.8%。动态力学分析表明，随着m-SiCNWs用量的增加，m-SiCNWs/FKM纳米复合材料的储能模量提高了，玻璃化转变温度（Tg）向高温方向移动，说明了m-SiCNWs对FKM较大的增强作用。此外，还研究了碳化硅纳米线/氟橡胶纳米复合材料的佩恩效应。利用透射电子显微镜（TEM）、SEM和橡胶加工分析仪（RPA）分别对m-SiCNWs和SiCNWs在FKM中分散进行了表征。表征结果显示：SiCNWs的疏水改性有利于其在FKM中的分散。
　　（3）分别使用干法和湿法混炼工艺制备了SiCNWs/NBR纳米复合材料。探究了两种混炼工艺对SiCNWs/NBR纳米复合材料拉伸强度、撕裂强度和耐磨性影响。测试结果表明，采用湿法混炼工艺将 SiCNWs分散在 NBR中，SiCNWs对NBR的增强效果较好。当SiCNWs的添加量为5份时，干法混炼和湿法混炼得到的SiCNWs/NBR纳米复合材料的拉伸强度分别提高了21.62%和32.43%，撕裂强度分别提高了15.88%和28.77%。此外与纯NBR相比，SiCNWs/NBR纳米复合材料的耐磨性也提高了。利用 SEM分别对两种混炼工艺下， SiCNWs在SiCNWs/NBR纳米复合材料的分散进行了表征，表征结果显示湿法混炼工艺，提高了SiCNWs在NBR中的分散。
　　SiCNWs的改性及SiCNWs在NBR和 FKM中的应用为一维纳米材料在其它高分子弹性体中的应用提供了参考。

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1 绪论

1.1 一维碳化硅纳米材料的简介

1.2丁腈橡胶的简介

1.3 氟橡胶的简介

1.4 选题依据及主要研究内容

1.5 论文的创新点

2 实验部分

2.1主要原料及实验设备

2.2 碳化硅纳米线的制备和改性工艺过程

2.3 SiC纳米线/丁腈橡胶纳米复合材料的制备

2.4 改性SiC纳米线/氟橡胶纳米复合材料的制备

2.5 表征与测试

3 碳化硅纳米线的改性研究

3.1 引言

3.2 碳化硅纳米线的分析与表征

3.3 KH570改性碳化硅纳米线的工艺优选

3.4 AC-FAS改性碳化硅纳米线的工艺优选

3.5 本章小结

4 改性SiCNWs/FKM纳米复合材料的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 氟橡胶二段硫化工艺的优选

4.3 改性SiCNWs/FKM纳米复合材料的制备

4.4 本章小结

5 SiCNWs/NBR纳米复合材料的制备与性能表征

5.1引言

5.2干法混炼所制备的SiCNWs/NBR纳米复合材料的性能

5.3湿法混炼所制备的SiCNWs/NBR纳米复合材料的性能

5.4 干法和湿法制备SiCNWs/NBR纳米复合材料性能的比较

5.5 本章小结

6结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成果

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