陶瓷納米粉體的表面修飾及其橡膠復合材料的研究.pdf

1、利用性能優異的納米材料開發特種和功能性新型的橡膠納米復合材料已經成為橡膠研究領域的重要方向。但是由于納米微粒具有大比表面和高表面能，容易團聚，特別是在橡膠中較在熱塑性塑料中的分散更為困難，很難達到理想的分散效果，導致納米效應難以在橡膠納米復合材料的宏觀性能上充分體現。因此目前對于橡膠納米復合材料的研究集中在對納米材料的表面改性方法、納米材料在橡膠基體中的分散狀態和機理、納米材料的增強機理以及復合材料結構與性能的關系等方面。 本論

2、文以三類汽車用橡膠制品(橡膠減震器油封、汽車橡膠耐磨膠管、橡膠止動件)為切入點，深入研究了陶瓷納米材料的表面修飾改性以及橡膠陶瓷納米復合材料的制備和性能。主要包括以下幾部分的內容： 1.根據陶瓷納米材料的基本特性，選擇合肥開爾納米材料有限公司等離子弧氣相法生產的納米非晶氮化硅和納米六方氮化鋁為研究對象，研究了這兩種陶瓷納米粉體的相關性質及其表面結構。采用FTIR和XPS分析比較了納米氮化硅、微米氮化硅以及納米氮化鋁在潮濕的空氣中

3、不同時間下氧化、水解的情況。為進一步深入研究陶瓷納米粉體的表面修飾改性奠定了基礎。 2.針對不同的基體橡膠和陶瓷納米粉體復合體系，設計、合成了三種偶聯劑，用于納米Si3N4和納米AlN的表面修飾改性，以提高納米粉體與基體橡膠的相容性和納米粉體在基體橡膠中的分散性。通過自由基溶液共聚法合成了大分子偶聯劑MAA-BA-AN三元共聚物和MMA-BA-VTES三元共聚物，研究了引發劑濃度和鏈轉移劑濃度對三元共聚物分子量的影響；在常溫下通

4、過化學沉淀法合成了納米甲基丙烯酸鋅(ZDMA)粉體，考察和研究了攪拌速率、滴加速率、溶液濃度等影響因素。通過紅外、核磁、GPC、DSC和TOA等對合成的產物進行了表征。 3.采用上述合成的偶聯劑對陶瓷納米粉體進行表面改性后通過FTIR，XPS，TGA,TEM,SEM,納米粒度分析，沉降試驗和接觸角測定等研究探討其表面改性效果。用MAA-BA-AN三元共聚物對納米Si3N4進行表面修飾改性；用MMA-BA-VTES三元共聚物分別改

5、性納米Si3N4和納米AlN；利用納米ZDMA對納米Si3N4進行直接包覆改性和原位接枝聚合改性，并進行比較。 4.設計試制可用于工業化納米粉體的表面改性的納米粉體熱霧化包覆處理設備--斷續式納米粉體表面改性機，使大分子偶聯劑溶液能夠形成亞微米級霧滴，與懸浮狀態的納米粉體充分接觸，提高其包覆率，使處理后的納米材料在橡膠基體中能夠達到有效分散。 5.改進傳統的填料與橡膠混煉工藝，探討了不同的混煉工藝條件對陶瓷納米粉體在橡膠

6、中分散性的影響。通過炭黑分散度測定儀、橡膠加工分析儀以及TEM研究發現，采用密煉機兩段混煉工藝使陶瓷納米粉體在橡膠基體中得到有效分散，可以充分發揮填充材料的納米效應。 6.設計制備三種橡膠陶瓷納米復合材料，分別為：三元共聚物MAA-BA-AN改性納米Si3N4后填充丁腈橡膠；三元共聚物MMA-BA-VTES改性納米AlN后填充天然/丁苯橡膠；納米ZDMA原位接枝聚合改性納米Si3N4后填充三元乙丙橡膠。用二段密煉的混煉工藝研究制

7、備上述三種橡膠陶瓷納米復合材料，根據對橡膠陶瓷納米復合材料力學性能、耐油性能、耐磨性能、耐老化性能等的測試結果研究探討了大分子偶聯劑的數均分子量對表面改性效果的影響，橡膠納米復合材料凝聚態結構與性能的關系及其橡膠配件制品性能提高的機理。 7.研究制備三種橡膠汽車配件產品。用三元共聚物MAA-BA-AN改性納米Si3N4/丁腈橡膠復合材料研制汽車減震器油封；用納米ZDMA原位接枝聚合改性納米Si3N4/三元乙丙橡膠復合材料研制汽車

8、用耐磨膠管：用三元共聚物MMA-BA-VTES改性納米AlN/天然丁苯橡膠復合材料研制汽車橡膠止動件。對上述三種產品進行了相關性能測試和臺架試驗，結果均達到了國際先進水平。 綜上所述，本文創造性地將陶瓷納米粉體(納米Si3N4和納米AlN)應用到橡膠納米復合材料的制備，根據不同的復合體系設計合成了新型的大分子偶聯劑并對陶瓷納米粉體進行表面改性，成功實現了納米粉體在橡膠基體中的均勻分散。結果證實納米Si3N4和納米AlN不僅能夠對