橡胶用纳米填料白炭黑的研究

摘要

随着环境问题日益严峻，兼具高效、节能、环保特性，可以有效降低汽车油耗，减少石化燃料燃烧对环境造成危害的“绿色轮胎”成为研究热点。而“绿色轮胎”的技术难点在于被称为“魔三角”的滚动阻力、耐磨性能和抗湿滑性能难以平衡，无机填料白炭黑的加入，可以有效平衡“魔三角”，这也是其技术核心。然而目前白炭黑产品还存在粒径较大以及表面硅羟基较多所导致的疏水性差，难以在橡胶中分散等问题。因此，减小白炭黑产品粒径，提高其疏水性能尤为关键。本文通过改进制备工艺，制备出粒径较小的白炭黑产品，并通过接枝有机物，提高其疏水性能，此外，还探究了各改性剂对橡胶性能的影响，具体研究内容如下:
　　(1)本文选取价格低廉的水玻璃为硅源，以磷酸二氢铵(NN4H2PO4)为潜在酸试剂、聚乙二醇6000(PEG6000)为表面活性剂，水热制备白炭黑产品。其中NN4H2PO4溶液呈弱酸性，在密闭水热环境下酸性增强，加速反应，而PEG6000则可吸附在白炭黑表面，抑制粒径长大。通过对产品的结构表征和性能测试，系统的探究了温度、硅源浓度、PEG6000比例以及磷酸二氢铵加入量(pH)等条件对于白炭黑结构和形貌的影响，逐级优化，实现对白炭黑的可控制备，得到粒径较小（一次粒径:12nm，二次粒径:66nm），比表面积较大（141.132m2/g），吸油值较高(2.2mL/g)的白炭黑产品。
　　(2)为了进一步提高白炭黑的产率，本文以十二烷基苯磺酸钠(LAS)为表面活性剂、水玻璃为硅源、柠檬酸为酸试剂，在冰浴的条件下制备出纳米级白炭黑产品。其中LAS与白炭黑进行吸附可有效抑制产品粒径长大，且苯环和长烷基链的存在加大了白炭黑产品的疏水性能。论文系统的探究了温度、硅源浓度、LAS比例等条件对于白炭黑结构和形貌的影响，并逐级优化条件，实现对白炭黑的可控制备，得到粒径较小（一次粒径:15nm，二次粒径:215nm），比表面积较大（144.646m2/g），吸油值较高（2.2mL/g）的白炭黑产品。
　　(3)为了进一步提高白炭黑与橡胶的相溶性，本文通过正交实验法以十八醇、油醇、乙烯基三乙氧基硅烷为改性剂，自制白炭黑为硅源，对白炭黑进行疏水改性。其中，十八醇和油醇均为长烷基链改性剂，价格低廉，而油醇本身含有双键，可以加强硫化效果。逐级优化条件，制备得到粒径较小（20nm以下），比表面积较大（140m2/g以上），亲油化值达到20％左右的改性白炭黑产品。将改性白炭黑扩大制备，与溶聚丁苯橡胶(SSBR)混炼，测试其橡胶性能，探究各改性剂对橡胶性能的影响关系，并与商业白炭黑进行比较，结果表明:改性后产品混炼胶正硫时间显著降低，长烷基链改性剂改性后产品混炼胶的正硫时间明显高于短链改性剂改性产品;改性后产品混炼胶的抗湿滑性能和耐磨性能得到提升，略优于商业产品;滚动阻力显著下降，且双键对于混炼胶滚动阻力的下降影响较大，改性后产品滚动阻力低于商业白炭黑产品混炼胶。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 橡胶用纳米填料的发展

1．2．1 传统炭黑材料

1．2．2 新型纳米白炭黑

1．3 纳米白炭黑概述

1．3．1 纳米白炭黑的结构

1．3．2 纳米白炭黑的存在形式

1．3．3 白炭黑的补强机理

1．3．4 白炭黑目前存在的问题

1．4 白炭黑的主要制备方法

1．4．1 气相法

1．4．2 传统沉淀法

1．4．3 新型沉淀法

1．4．4 溶胶凝胶法

1．4．5 水热法

1．5 白炭黑的表面修饰

1．5．1 主要的改性方法

1．5．2 主要的改性剂类型

1．5．3 白炭黑改性研究进展

1．6 论文的选题意义

1．7 论文的研究内容

1．7．1 水热法制备纳米白炭黑

1．7．2 低温沉淀法制备白炭黑

1．7．3 乙烯基三乙氧基硅烷改性白炭黑

1．7．4 正十八醇改性白炭黑

1．7．5 9-十八烯-1-醇改性白炭黑

第二章 一步水热法研制白炭黑的探讨及结构表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．1．3 实验工艺流程

2．2 结果与讨论

2．2．1 反应条件对产品形貌的影响

2．2．2 样品的结构表征

2．3 本章小结

第三章 低温沉淀法制备纳米级白炭黑的工艺探讨及结构表征

3．1 实验部分

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验工艺流程

3．2 结果与讨论

3．2．1 反应条件对产品形貌的影响

3．2．2 样品的结构表征

3．3 本章小结

第四章 沉淀法白炭黑的表面功能化接枝修饰

4．1．1 实验部分

4．1．2 最优条件的选择

4．1．3 本节小结

4．2 正十八烷醇改性白炭黑

4．2．1 实验部分

4．2．2 最优条件的选择

4．2．3 本节小结

4．3．1 实验部分

4．3．2 最优条件的选择

4．3．3 本节小结

4．4 三种改性剂改性后产品结构表征

4．4．1 改性白炭黑产品的红外分析

4．4．2 改性白炭黑产品的XPS测试

4．4．3 改性白炭黑产品的热稳定性能分析

4．4．4 改性白炭黑产品的透射电镜测试

4．4．5 改性白炭黑产品的孔结构及比表面积测试

4．4．6 混炼橡胶硫化性能测试

4．4．7 混炼橡雨雪天气抗湿滑性及行驶阻力测试

4．4．8 混炼橡胶耐磨性能测试

4．4．9 本节小结

4．5 本章小结

第五章 结论

5．2 论文创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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