3-氨基丙基三乙氧基硅烷修饰碳纳米材料增强羧基丁腈橡胶动态力学性能研究

摘要

高速列车在全速运行中会产生强烈的振动和刺耳的噪声，将会使得乘客极度不适。不仅如此，强烈的振动还会降低高速列车零部件的使用寿命，造成经济浪费。因此，如何有效控制高速列车室内噪声以及整车振动成为了新型高速列车研发当中的关键性问题。当前，针对这一关键性问题，研究人员对整个高速铁路系统进行了优化设计，同时在关键零部件处增添阻尼减振材料是当前非常有效的手段，其中橡胶阻尼材料在高速列车中的运用非常广泛。如何经济有效的增强橡胶阻尼材料的动态力学性能是当前研究的重点。为了提高阻尼橡胶的综合性能和降低成本，通过填料的添加来调节橡胶的动态力学性能，具有工艺简单，操作方便等优势，能够有效的降低阻尼橡胶的制备成本。当添加填料于橡胶基体中时，填料会增加与橡胶基体的相互作用界面，在振动过程中，更多的相互作用界面能增大界面的摩擦作用从而增加复合材料的动态力学性能。同传统的宏观填料相比较，纳米无机填料的添加更有利于界面相互作用的增加。因此本文中选取了碳纳米管和石墨烯两种具备高比表面积优势的纳米填料来制备橡胶复合材料，通过增加基体中的界面作用实现橡胶动态力学性能增强的目标。　　现有文献中表明，由于石墨烯和碳纳米管与高分子基体的相互作用较弱，并且容易在基体中产生团聚，使得碳纳米管和石墨烯制备的复合材料在动态力学性能测试中会出现弹性模量下降和阻尼值降低的不稳定现象。因此，论文提出了一种适用于橡胶阻尼材料的功能纳米填料设计方法，用来提高橡胶复合材料动态力学性能：选用碳纳米填料来增强基体界面的摩擦作用；同时在碳纳米填料表面进行高密度改性，增加极性基团，提高填料和基体的相互作用；同时要求选择的改性试剂能够使功能填料在基体中有良好分散性。制备出同时具备三方面提高橡胶动态力学性能优点的功能碳纳米填料，来增强基体动态力学性能。　　论文中按照提出的设计方法制备了两种功能化碳纳米填料并制备出复合材料进行测试验证。　　(一)石墨烯功能填料增强羧基丁腈橡胶动态力学性能的研究　　论文中制备了磺酸离子液体改性的石墨烯中间体，基于石墨烯层间和面上高密度粘附了磺酸离子液体，从而增加了硅烷偶联剂KH550的接枝率。通过XPS测试对比KH550接枝率最高和最低的两种样品：KH550接枝率最高的样品Si元素含量增加了2.14%，相应的KH550接枝量提升了41.8%。石墨烯功能填料制备的复合材料动态力学性能测试结果表明：复合材料的弹性模量在全段温域都有明显增加；复合材料的玻璃化转变温度向高温偏移，复合材料的损耗因子峰值增大。复合材料经过了120℃老化和油浸泡实验过后，弹性模量和损耗模量依然高于原始样品。通过在常规试验以及苛刻环境的试验表明，此设计方法制备的石墨烯功能化填料对复合材料的动态力学性能增强效果是可靠和有效的。　　(二)碳纳米管功能填料增强羧基丁腈橡胶动态力学性能的研究　　论文中制备了聚多巴胺改性的碳纳米管中间体，聚多巴胺在碳纳米管表面的高密度包覆层增加了硅烷偶联剂KH550的接枝率。通过XPS测试对比KH550接枝率最高和最低的两种样品：KH550的Si元素含量增加了4.2%，相应的KH550接枝量提升了181%。碳纳米管功能填料制备的复合材料动态力学性能测试结果表明：复合材料的弹性模量在全段温域都有明显增加；复合材料的玻璃化转变温度向高温偏移，复合材料的损耗因子峰值增大。复合材料经过了120℃老化和油浸泡实验过后，弹性模量和损耗模量依然高于原始样品。通过在常规试验以及苛刻环境的试验表明，此设计方法制备的功能化碳纳米管填料对复合材料的动态力学性能增强效果是可靠和有效的。　　(三)混合填料对羧基丁腈橡胶动态力学性能影响的研究　　将功能化石墨烯和功能化碳纳米管两种填料以乳液法与羧基丁腈橡胶共混，研究了两种功能填料的协同作用对羧基丁腈橡胶动态力学性能影响。协同作用使得两种功能填料在羧基丁腈橡胶基体中能够保持良好的分散性，有利于增强高分子材料弹性模量。但是这种链状结构使得填料与基体界面产生的相对滑移更困难，导致阻尼值降低。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1引言

1.2 填料对高分子材料动态力学性能的影响

1.2.1碳纳米填料对动态力学性能的影响

1.2.2小分子填料对动态力学性能的影响

1.2.3功能填料设计和验证方法的提出

1.3石墨烯粉体的制备及分散性研究

1.3.1 石墨烯的物理性质

1.3.2 石墨烯粉体的制备方法

1.3.3 石墨烯粉体的改性方法研究

1.3.4 石墨烯粉体在橡胶中的分散性研究

1.4碳纳米管的制备及分散性研究

1.4.1碳纳米管的物理性能

1.4.2碳纳米管的制备方法

1.4.3碳纳米管表面改性方法研究

1.4.4碳纳米管在橡胶中的分散性研究

1.5石墨烯和碳纳米管混合填料对高分子材料性能的影响

1.6课题的研究意义与主要内容

第2章 试验部分

2.1试验原材料

2.2使用的仪器设备

2.3 羧基丁腈橡胶纳米复合材料的制备及表征方法

2.3.1 改性石墨烯/羧基丁腈橡胶的制备方法

2.3.2 改性碳纳米管/羧基丁腈橡胶的制备方法

2.3.3 混合填料/羧基丁腈橡胶的制备方法

2.3.4 改性填料和纳米复合材料的表征方法

2.4 复合材料动态力学性能的分析方法及参数选择