碳纳米管/溶聚丁苯橡胶纳米复合材料的制备与性能研究

摘要

碳纳米管(CNTs)凭借自身优异的性能而被应用于复合材料的制备中，尤其是在橡胶行业中，CNTs作为一种功能性填料，它的添加不仅可以改善橡胶的力学性能，对橡胶的导热、导电等性能也有一定的提升。但在CNTs/橡胶复合材料的制备中，CNTs的分散以及CNTs与橡胶基体之间的界面连接是首要解决的两大问题。为此，本论文展开了如下研究:
　　1.利用溶液混合法制备了CNTs/SSBR母胶，随后将其与SSBR进行机械混炼来制备CNTs/SSBR复合材料。之后研究了母胶的溶液混合工艺对CNTs在母胶和复合材料中分散状态的影响，以及对复合材料性能的影响。实验结果表明，CNTs与SSBR溶液直接混合是CNTs/SSBR母胶的最佳制备工艺。此外，由于CNTs在加工过程中，当其弯曲程度达到临界值之后就会发生断裂，因此在本部分研究中，还采用Salinas等人的研究结论对CNTs在双辊开炼机上机械混炼后的临界弯曲长径比进行理论计算，结果显示，CNTs的理论临界弯曲长径比为33。
　　2.利用巯基硅烷偶联剂将CNTs巯基化之后，将巯基化CNTs与SSBR溶液混合制备巯基化CNTs/SSBR母胶，随后利用哈克密炼机将该母胶于140℃下高温处理，使CNTs表面的巯基与丁苯橡胶中乙烯基发生“Thiol-ene”反应，利用傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)与核磁共振波谱仪(NMR)表征巯基化CNTs/SSBR母胶中两组分的反应情况后，之后将处理过的巯基化CNTs/SSBR母胶与SSBR生胶、橡胶助剂利用机械混合的方法制备巯基化CNTs/SSBR复合材料，复合材料的一系列性能测试表明，经过改性处理的CNTs其在复合材料中的分散明显好于原始CNTs，而且巯基化CNTs/SSBR复合材料的拉伸强度、断裂伸长率都略优于CNTs/SSBR复合材料。
　　3.利用碳碳弱键官能化溶聚丁苯橡胶(SBTR)对CNTs进行改性处理，并借助FT-IR与热重分析仪(TGA)对改性强后的CNTs进行表征，结果表明，SBTR-CNTs的FT-IR谱图中有SBTR的亚甲基、苯环、丁二烯双键的特征峰，TGA谱图表明，SBTR-CNTs中SBTR的接枝量为19％。在将CNTs改性之后，以SSBR为基体，以改性前后的CNTs为填料制备SBTR-CNTs/SSBR、CNTs/SSBR复合材料，并通过一系列的性能分析考察SBTR接枝与否对复合材料的影响。结果表明，与CNTs/SSBR复合材料相比，SBTR-CNTs/SSBR复合材料的拉伸强度、模量、导热率都有所提升，这与SBTR改性CNTs之后，SBTR-CNTs与SSBR之间的界面强化分不开。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 碳纳米管的概述

1．1．1 碳纳米管的结构

1．1．2 碳纳米管的性能

1．1．3 碳纳米管的制备

1．1．4 碳纳米管的毒性

1．2 碳纳米管／聚合物湿法制备概述

1．2．1 乳液混合法

1．2．2 溶液混合法

1．3 碳纳米管／聚合物界面强化概述

1．3．1 强氧化剂处理

1．3．2 等离子体处理

1．3．3 聚合物接枝处理

1．4 论文选题目的及意义

1．5 论文的研究内容

2．1 实验用原材料

2．2 实验设备及测试仪器

2．3 测试方法

2．3．1 碳纳米管的TGA表征

2．3．2 碳纳米管的XPS表征

2．3．3 碳纳米管的EDS表征

2．3．4 碳纳米管FTIR表征

2．3．8 碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料静态力学性能测试

2．3．9 碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料动态力学性能测试

2．3．10 碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料导热性能测试

2．3．11 碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料导电性能测试

2．3．12 碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料微观形貌测试

第三章 碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料制备工艺的选择

3．1 前言

3．2 实验工艺与配方

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同制备工艺对CNTs／SSBR母胶中碳纳米管分散的影响

3．3．2 不同制备工艺对CNTs／SSBR复合材料中碳纳米管分散及长度的影响

3．3．3 不同制备工艺对CNTs／SSBR复合材料静动态力学性能的影响

3．3．4 小结

第四章 巯基化碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料的制备与性能研究

4．1 前言

4．2 实验内容

4．2．1 酸化碳纳米管的巯基化工艺

4．2．4 巯基化碳纳米管／SSBR复合材料的制备工艺及配方

4．3 结果与讨论

4．3．1 碳纳米管巯基化前后的表征

4．3．2 KH590与SSBR反应工艺的确定

4．3．3 巯基化碳纳米管与SSBR反应表征

4．3．4 巯基化碳纳米管／SSBR复合材料结构的表征与性能分析

4．4 小结

第五章 碳碳弱键官能化溶聚丁苯橡胶接枝碳纳米管／溶聚丁苯橡胶复合材料的制备与性能研究

5．1 前言

5．2 实验内容

5．2．1 碳纳米管的SBTR接枝处理

5．2．2 SBTR接枝碳纳米管／丁苯橡胶复合材料的制备工艺及配方

5．3 结果与讨论

5．3．1 碳纳米管接枝前后的表征

5．3．2 CNTs-SBTR／SSBR复合材料结构的表征与性能分析

5．4 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师介绍