弹性体基复合材料中纳米颗粒的分散、界面、增强以及应用的研究

• 作 者: 张立群 刘军 王振华 吴丝竹 卢咏来
• 机 构: 北京化工大学北京市新型高分子材料制备与成型加工重点实验室北京100029北京化工大学教育部碳纤维及功能高分子重点实验室北京100029北京化工大学北京市新型高分子材料制备与成型加工重点实验室北京100
• 出 处: 白炭黑及纳米补强填料在橡胶中的高端应用技术研讨会
• 发表日期: 2011年10期
• 关键词: 弹性体基复合材料 纳米颗粒 分子模拟 力学性能 工业应用

　　纳米颗粒与弹性体复合是制备高性能多功能弹性体材料非常重要且十分必要的方法与途径。本工作通过分子模拟和实验研究相结合，在分子水平上深入系统的阐述了纳米颗粒的分散、界面结合与力学增强机理，同时也探讨了如何制备满足工业应用需要的力学性能与功能性能兼顾的弹性体制品。
　　通过单纯改变纳米颗粒与橡胶大分子链间的相互作用，纳米颗粒的分散存在三种状态：(i)在低界面相互作用下，颗粒直接接触聚集，呈现宏观相分离；(ii)在中等界面相互作用下，颗粒呈现一定程度的均匀分散；(iii)而在高界面相互作用情况下，单根大分子链同时吸附多个纳米颗粒，导致桥链引发颗粒聚集(chain_hridging induced aggregation)，近似微相分离。该平衡分散的状态取决于体系熵和焓相制衡的结果。
　　通过调节界面相互作用的大小，结果表明即使在很强的界面作用情况下(氢键范围)，靠近纳米颗粒表面的分子链仍然具有一定的活动性，并且在界面处链段能发生吸附一脱附的过程。进一步从热力学和动力学的角度，解释了在纳米颗粒表面不太可能形成文献上所报道的橡胶玻璃化壳层。
　　通过变化低填充分数下炭黑的体积分数，首次通过实验报导了在橡胶的纳米增强中存在着类似于橡胶增韧塑料的逾渗现象，即橡胶(丁苯橡胶)的拉伸强度随着纳米增强剂(炭黑)用量的增加先缓慢增加，进而迅速上升而后达到平衡。采用傅立叶红外光谱、应力应变曲线和分子模拟等手段相结合，分析表明纳米粒子增强橡胶的机理在于诱导粒子间伸直链的形成，提出了橡胶增强临界间距的新概念，并讨论了其影响因素。对于炭黑增强丁苯橡胶体系，存在一个最大临界粒径(原生粒子直径)约为80nm左右。提出了一些弹性体增强设计上的新观点：包括界面相互作用、最佳交联密度和最小增强粒子的尺寸。