喀斯特山区复杂环境下柔性阳极的研究

摘要

应用于喀斯特山区的柔性阳极具有良好导电性的同时还需具有高的强度和柔韧性，为制备应用于该环境下的柔性阳极，本文选用丁腈橡胶（NBR）为基体，首先通过单因素实验、正交实验和BP神经网络探究导电炭黑用量、硫化体系（不溶性硫磺、ZnO、硬脂酸、促进剂TMTD、促进剂DM用量、硫化时间）以及其他助剂（偶联剂KH-560、增塑剂DOP、防老剂MB用量）对NBR复合材料力学性能和电学性能的综合影响，从而确定最优NBR复合材料组成方案，并通过最佳方案成功制备了强度高、柔韧性好和体积电阻率小的导电橡胶，根据制备的导电橡胶与铜芯线挤出得到应用于喀斯特山区的柔性阳极。最后通过动力学模拟和实验对比研究了炭黑补强NBR材料的机理，并基于分子层面分析三种组成制备的NBR复合材料微观性能，主要内容归结为以下几点：　　（1）通过单因素实验得到NBR为100phr、导电炭黑为40phr、不溶性硫磺/ZnO/硬脂酸/TMTD/DM的用量分别为2phr，5phr，4phr，1phr及1.75phr、三种助剂KH-560/DOP/MB的用量为1.5phr/10phr/2.5phr时NBR复合材料性能最优，其体积电阻率为2.89Ω?cm，扯断伸长率为1354.55%，拉伸强度为20.13MPa。　　（2）通过正交实验得到NBR为100phr、导电炭黑为50phr、不溶性硫磺/ZnO/硬脂酸/TMTD/DM的用量分别为2phr，6phr，5phr，2phr及3phr、三种助剂KH-560/DOP/MB的用量为1.5phr/20phr/2.5phr时NBR复合材料性能最优。BP神经网络优化得到NBR为100phr、导电炭黑为45phr、不溶性硫磺/ZnO/硬脂酸/TMTD/DM的用量分别为2.2phr，5.2phr，4.3phr，1phr及1.7phr、三种助剂KH-560/DOP/MB的用量为1.8phr/10phr/2.5phr时NBR复合材料性能最优，其体积电阻率分别为1.95Ω?cm和1.24Ω?cm，扯断伸长率分别为1596.81%和1458.62%，拉伸强度分别为21.52MPa和22.91MPa。三种导电橡胶和铜芯线挤出制备的柔性阳极通过耐化学腐蚀实验，达到耐化学腐蚀性标准，为喀斯特地区柔性阳极的制备奠定了基础。　　（3）通过MD模拟研究得到炭黑通过增加NBR复合材料的内聚能密度和结合能从而增加材料强度；通过影响自由体积分数、均方回转半径和均方位移来影响伸长率，综合各个微观参数和材料的SEM、DSC和红外分析发现炭黑含量为40phr时NBR复合材料性能最好。BP神经网络优化后NBR复合材料的内聚能密度和结合能最大，即强度最高，对比均方位移、均方回转半径和自由体积分数三个参数得到正交实验制备的NBR复合材料伸长率最好，并根据DSC分析得到三种材料玻璃转化温度相差不大，综合得三种材料的微观和宏观性能得到BP神经网络优化后的导电橡胶性能最好。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 柔性阳极的结构和特点

1.3 柔性阳极的保护机理

1.4 柔性阳极的制备工艺

1.4.1 柔性阳极导电聚合层的研究现状

1.4.2柔性阳极研究现状

1.5 MS分子模拟

1.5.1 MS分子模拟介绍

1.5.2 MS分子模拟在高分子材料领的应用现状

1.6 柔性阳极存在问题

1.7 本论文研究的目的和意义

1.8 研究内容

1.9 创新点

第二章 材料与方法

2.1引言

2.2实验方法

2.2.1材料与试剂

2.2.2实验设备与分析仪器

2.2.3导电聚合材料的制备

2.2.4 导电聚合材料的性能测试

2.2.5 微观结构表征

2.4 BP神经网络优化

2.3.1参数的选择

2.3.2 BP神经网络的构建

2.4 分子动力学模拟

2.4.1 MS 8.0分子模拟软件介绍

2.4.2力场的选择

2.4.3 周期性单元格模型的搭建

2.4.4周期性单元格优化

2.4.5 参数获取

第三章 柔性阳极的制备

3.1引言

3.2 实验配方及作用

3.3导电聚合层配方确定

3.3.1 导电炭黑用量对NBR复合材料的影响

3.3.2 不溶性硫磺用量对NBR 复合材料的影响

3.3.3 ZnO用量对NBR复合材料的影响

3.3.4 硬脂酸用量对NBR复合材料的影响

3.3.5促进剂DM用量对NBR复合材料的影响

3.3.6促进剂TMTD用量对NBR复合材料的影响

3.3.7偶联剂KH-560用量对NBR复合材料的影响

3.3.8增塑剂DOP用量对NBR复合材料的影响

3.3.9 防老剂MB用量对NBR复合材料的影响

3.3.10 硫化时间对NBR复合材料的影响

3.3柔性阳极的耐化学品检测

3.5本章小结

第四章 BP神经网络对柔性阳极导电聚合层优化

4.1 引言

4.2 正交实验

4.2.1正交实验表

4.4.2正交实验优化结果分析

4.3 BP神经网络搭建

4.3.1数据归一化

4.3.2各个隐含层神经元个数训练误差对比

4.3.3 网络训练

4.3.4 网络验证

4.4 BP神经网络对NBR复合材料配方优化

4.4.1 BP神经网络对导电炭黑含量优化

4.4.2 BP神经网络对硫磺含量优化

4.4.3 BP神经网络对ZnO含量优化

4.4.4 BP神经网络对硬脂酸含量优化

4.4.5 BP神经网络对促进剂DM含量优化

4.4.6 BP神经网络对促进剂TMTD含量优化

4.4.7 BP神经网络对偶联剂KH-560含量优化

4.4.8 BP神经网络对防老剂MB含量优化

4.4.9 BP神经网络对增塑剂DOP含量优化

4.5 柔性阳极的耐化学品检测

4.6 本章小结

第五章 NBR复合材料动力学模拟

5.1引言

5.2导电炭黑补强NBR复合材料的研究

5.2.1 不同炭黑含量NBR复合材料周期性单元格搭建

5.2.2 炭黑含量对NBR复合材料内聚能密度的影响

5.2.3 炭黑含量对NBR复合材料结合能的影响

5.2.4 炭黑含量对NBR复合材料自由体积分数的影响

5.2.5 炭黑含量对NBR复合材料均方回转半径的影响

5.2.6 炭黑含量对NBR复合材料MSD的影响

5.2.7 不同炭黑含量NBR复合材料微观形貌分析

5.2.8 不同炭黑含量NBR复合材料红外光谱分析

5.2.9不同炭黑含量NBR复合材料DSC分析

5.3 三种NBR复合材料微观结构分析

5.3.1三种NBR复合材料模型搭建

5.3.2 三种NBR复合材料的内聚能密度分析

5.3.3 三种NBR复合材料的结合能分析

5.3.4 三种NBR复合材料的MSD分析

5.3.5 三种NBR复合材料的均方回转半径分析

5.3.6 三种NBR复合材料的自由体积分数分析

5.3.7 三种NBR复合材料玻璃转化温度分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1结论

6.2展望及研究缺陷

参考文献

致谢

附录

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