大分子表面改性剂的合成及橡胶/纳米氮化钛复合材料的制备及性能研究

摘要

聚合物基纳米复合材料是以高分子化合物为基体,分散相中至少有一维小于100nm的新型复合材料。本论文制备的是丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶/陶瓷纳米氮化钛复合材料。
　　氮化钛(TiN)是一种新型材料,具有硬度高、熔点高(2950℃)、化学稳定性好的特点,是一种优良的耐高温、耐磨陶瓷材料。由于TiN具有上述特性,使纳米TiN作为复合材料的增强相,具有极大的开发价值和应用前景。把陶瓷纳米TiN应用于橡胶中,则可能制成性能优异的橡胶复合材料。
　　将陶瓷纳米 TiN添加入橡胶中的改性研究国内外鲜为报道。因为陶瓷纳米TiN具有很大的比表面积和高的表面自由能,所以非常容易团聚形成聚集体颗粒,如将其添加到聚合物基体中,由于无机陶瓷纳米粉体的结构与有机高分子的结构差别大,相容性很差,在加工过程中仅仅依靠剪切力的作用,尤其是在高粘度的塑炼胶中混合分散,较在热塑性塑料熔体中分散更为困难,导致陶瓷纳米TiN难于以纳米尺寸均匀分散在橡胶基体当中,而是形成尺寸较大、团聚结构的分散相。这样,不仅不能发挥其纳米效应,在宏观上表现出橡胶制品的性能提高,反而成为了橡胶基体中的缺陷,损害和降低橡胶基体本身原有的性能。为了克服陶瓷纳米TiN团聚的应用技术瓶颈,使其能够均匀地分散在橡胶基体中并达到良好的相容性,就必须对其进行表面包覆、修饰改性处理,以提高陶瓷纳米TiN的亲油性,具备能与橡胶基体亲合相容的能力,同时再配合相应的优化混炼工艺技术,从而有效地阻止陶瓷纳米粉体在橡胶基体中团聚,使其真正地实现纳米尺度的分散。
　　基于上述思想,本文做了大量相关工作,内容如下:
　　第一章是绪论部分。通过文献调研,主要综述了高分子复合材料及橡胶纳米复合材料的研究进展以及存在的问题;橡胶在汽车工业的应用情况以及国内外汽车橡胶零配件存在的差异。最后提出了本课题的设计思路。
　　第二章是大分子表面改性剂的合成与表征。采用溶液聚合法合成了两种类型的三元共聚物,即甲基丙烯酸-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸环氧丙酯(MAA-BA-GMA)三元共聚物和甲基丙烯酸-丙烯酸丁酯-丙烯腈(MAA-BA-AN)三元共聚物;采用了红外(FTIR)、核磁(NMR)、热分析(TGA、DSC)和凝胶渗透色谱(GPC)等手段对共聚物进行分析;FTIR、NMR分析表明,三种单体发生了共聚反应;TGA结果分析表明随着引发剂和连转移剂用量的增加,MAA-BA-GMA三元共聚物分解温度降低,两种大分子表面改性剂的热稳定性好;通过估算其高分子形态函数值α和DSC分析表明该三元共聚物MAA-BA-GMA和MAA-BA-AN具有良好的柔性。
　　第三章是纳米氮化钛粉体的表面改性研究。用合成的大分子表面改性剂MAA-BA-GMA和MAA-BA-AN包覆纳米氮化钛粉体。粒径分析和离心沉降试验说明了,当温度为60℃,大分子表面改性剂的量为5％,大分子表面改性剂的数均分子量在10000以下时,包覆效果最好。FTIR、TGA分析表明大分子表面改性剂和纳米氮化钛的表面发生了化学反应,且化学包覆百分比为47.2％。TEM观测表明,用大分子表面改性剂处理纳米氮化钛后,纳米氮化钛在有机溶剂中分散均匀,明显阻止了纳米氮化钛颗粒的团聚。利用表面张力仪测定处理前后纳米氮化钛、丙烯酸酯胶和水、乙二醇的接触角,并计算处理前后纳米氮化钛、丙烯酸酯胶的表面自由能。从纳米氮化钛、丙烯酸酯胶表面自由能可以看出,处理后的纳米氮化钛粉体较容易分散在丙烯酸酯胶中。
　　第四章是纳米氮化钛改性丙烯酸酯橡胶和丁腈橡胶的研究。研究了复合材料的力学性能、耐热老化性能、耐油性能、耐磨性能和动态力学性能。结果表明,纳米氮化钛的加入在一定程度上提高了丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶的撕裂强度、拉伸强度、储能模量(Eˊ),耐磨性等,明显降低内耗(tanδ),改善了丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶的动态力学性能、耐热老化性能、耐油性能和耐磨性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章绪论

1.1引言

1.2高分子基纳米复合材料的研究进展[3~16]

1.3 橡胶纳米复合材料研究进展

1.5 橡胶的种类

1.6 国内橡胶在汽车工业的应用情况

1.7 国内外汽车橡胶配件存在的差异

1.8 橡胶纳米复合材料研制中存在的问题

1.9 本论文的主要设计思想与研究内容

参考文献

第二章 大分子表面改性剂的设计、合成与表征

2.1偶联剂的概述

2.2 大分子表面改性剂的设计、合成与表征

2.3结论

参考文献

第三章 纳米氮化钛粉体的表面修饰研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

参考文献

第四章 纳米氮化钛改性丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的文章