受阻酚/丁腈橡胶体系的阻尼性能及分子动力学模拟的理论与实验研究

摘要

橡胶阻尼材料因其独特的粘弹性、轻质及易加工等特性被广泛地应用于航空航天、轨道交通等领域，但是由于普通的纯橡胶存在诸多缺点，难以满足较高的应用需求。而在近几年，将极性小分子添加至橡胶基体成为一种制备新型高阻尼材料的方法。经研究发现，橡胶基体会与极性小分子形成氢键作用，而氢键在断裂与生成过程中会不断消耗机械能从而达到减震降噪的需求。本论文利用分子动力学模拟与实验手段相结合的方法研究了三种受阻酚/丁腈橡胶体系，对不同类型氢键的作用机理的详细分析，结合了热学及动态力学等实验测试结果，发现了微观氢键与宏观阻尼性能之间的量化关系。
　　(1)首先利用分子动力学模拟的手段构建了三体系受阻酚/丁腈橡胶(AO-60/NBR、AO-70/NBR与AO-80/NBR)重复单元并对相关参数进行计算。其中溶解度参数模拟结果表明NBR分子链与受阻酚AO-70、AO-80之间的相容性比AO-60好;氢键的统计结果表明三种体系中氢键主要分为分子间氢键(由受阻酚羟基(-OH)的H原子与NBR分子链中氰基(-CN)的N原子构成）与分子内氢键(由受阻酚羟基(-OH)的H原子与受阻酚中氧原子构成）两种类型，其中分子间氢键的数量更多，为主要的氢键类型;根据径向分布函数结果可以推断出，在高温环境下分子间氢键的稳定性更强，而在三体系中分子间氢键的强弱顺序为AO-80/NBR＞AO-70/NBR＞AO-60/NBR;随着分子间氢键数量的增加，三体系链段的堆积更加紧密，自由体积分数不断降低;受阻酚小分子与橡胶基体间结合的紧密程度增加，导致结合能的升高。结合能的大小与分子间氢键的数量线性相关，相关系数R2高达0.94。
　　(2)按照分子模拟所设计的组分比制备三体系的混炼胶并通过实验手段进行测试。扫描电子显微镜发现AO-70、AO-80可以在NBR中均匀分散，而AO-60会在NBR中发生团聚;根据傅里叶变换红外光谱的分析结果，发现在三体系中均出现羟基吸收峰的红移与氰基吸收峰的微弱蓝移现象，表明分子间氢键确实存在;变温红外光谱的测试结果表明三体系中分子间氢键的强度顺序为AO-80/NBR＞AO-70/NBR＞AO-60/NBR，与分子模拟预测的结果相同;热学与动态力学分析结果证明在均相体系中三体系的阻尼性能均随受阻酚含量的增加而升高，其中当AO-60的含量超过56份时，AO-60/NBR体系开始分相。
　　(3)三体系中结合能与有效阻尼峰面积(TA)线性相关(R2＝0.95)，而结合能的主要贡献来自于分子间氢键作用，证明了分子间氢键是提高受阻酚/丁腈橡胶体系阻尼性能的关键因素。

目录

声明

摘要

主要缩写符号和物理符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源及背景

1．2 高聚物阻尼性能及研究方法

1．2．1 高聚物阻尼机理

1．2．2 高聚物阻尼性能评价方法

1．3 影响橡胶阻尼性能的因素及高阻尼橡胶类型

1．3．1 影响橡胶阻尼性能的因素

1．3．2 高阻尼橡胶类型与特征

1．4 橡胶阻尼材料改性方法

1．4．1 共混、共聚改性

1．4．2 互穿网络(IPN)改性

1．4．3 极性小分子改性

1．5 分子模拟

1．5．2 分子模拟的类型与方法

1．5．3 分子模拟在小分子改性橡胶氢键网络设计中的应用

1．5．4 分子模拟软件Materials Studio模块及功能简介

1．6 本课题研究目的、意义

1．7 本课题研究内容

1．8 本课题创新之处

第二章 模拟与实验方法设计

2．1 分子动力学模拟参数设置

2．1．1 力场的选择

2．1．2 体系模型构建

2．1．3 体系能量优化

2．1．4 体系动力学模拟

2．2 动力学模拟参数计算

2．2．1 溶解度参数计算

2．2．2 氢键的研究

2．2．3 径向分布函数

2．2．4 自由体积分数计算

2．2．5 结合能计算

2．2．6 线性相关系数计算

2．3 实验部分

2．3．1 三种受阻酚／丁腈橡胶体系配比

2．3．2 加工设备与测试仪器

2．3．3 三体系受阻酚／丁腈橡胶材料制备流程

2．3．4 测试实验与表征

第三章 三体系受阻酚／丁腈橡胶模拟实验与结果分析

3．1 三体系受阻酚／丁腈橡胶体系建模方法

3．2 系统平衡判定

3．3 三种受阻酚及NBR溶解度参数模拟计算

3．4 三体系氢键类型分析

3．5 三体系氢键数量分析

3．6 三体系径向分布函数分析

3．7 三体系自由体积分数计算

3．8 三体系结合能分析

3．9 氢键与结合能的相关性

3．10 分子动力学模拟小结

第四章 三体系受阻酚／丁腈橡胶实验研究与结果分析

4．1 三体系形貌结构分析

4．2 三体系红外光谱分析

4．3 三体系变温红外光谱分析

4．4 三体系热性能分析

2．5 真实自由体积分数分析

4．6 三体系动态力学性能分析

4．7 分子问氢键与阻尼性能的量化关系

4．8 实验小结

第五章：结论

参考文献

致谢

研究成果

作者和导师简介