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由于纳米尺寸效应,表面效应以及纳米粒子与基体界面间强的相互作用,聚合物/粘土纳米复合材料具有优于相同组分常规复合材料的物理、化学等性能而引起了人们的广泛关注。但是,有机粘土在聚合物基体中完全剥离需要一些特殊的条件,如适当的反应温度、固化剂、聚合物单体的聚合速率和挤出剪切力等。在简单而温和的条件下制备出高性能的剥离型聚合物/粘土纳米复合材料并不太容易,仍然是个挑战性的课题。
本论文选择端羟基聚丁二烯液体橡胶(HTPB)和端羧基聚丁二烯液体橡胶(CTPB)为研究对象,在简单而温和的条件下,制备出剥离型聚丁二烯液体橡胶/有机粘土纳米复合凝胶,并且以这种含有预剥离粘土片层的液体橡胶纳米复合凝胶为“橡胶-粘土纳米母料”,对其进行交联固化,制备出具有超拉伸性能的聚氨酯橡胶/有机粘土纳米复合材料。利用X-射线衍射(XRD)、小角X射线散射(SAXS)、透射电镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、示差扫描分析(DSC)、固体核磁共振(NMR)、流变性能测试和拉伸性能测试等表征技术,研究了聚氨酯橡胶/粘土纳米复合材料的微观结构及其结构-性能之间的关系。取得了以下的研究成果：
1)采用水溶液阳离子交换法,制备出不同有机胺改性的粘土,通过XRD测试,观察不同有机胺改性粘土对其层间距的影响。研究结果表明,有机粘土的层间距随着有机改性剂烷基链长的增加而增加,随着有机改性剂负载量的增加而增加,直到体系达到饱和为止；在有机改性剂的烷基链长相同的条件下,季铵盐改性蒙脱土的层间距要比伯胺改性蒙脱土的层间距大。
2)在无需高温和溶剂的温和条件下,使用手工搅拌混合的简单方法制备出剥离型液体橡胶/有机粘土纳米复合凝胶,有机粘土的含量高达10wt％。据我们所知,在常温液态下能直接剥离有机粘土的聚合物尚未有报道。利用XRD、SAXS、TEM等表征方法研究了有机粘土片层在液体橡胶基体中分散的微观结构,并用液体橡胶与有机改性剂之间的相容性和纳米复合凝胶稳态剪切粘度来研究液体橡胶与有机粘土之间的相互作用,最后推断出有机粘土在液体橡胶中的自发剥离机理。研究结果表明液体橡胶的端官能团、有机改性剂的长烷基链个数和液体橡胶与有机粘土之间的相互作用对粘土片层剥离都有一定的影响。 3)研究了液体橡胶/有机粘土纳米复合凝胶独特的流变行为,首次对粘土片层在液体橡胶中的剥离过程进行了原位观测,总结出影响该材料流变行为的三大因素：聚合物与有机粘土之间的相互作用、剪切诱导取向效应和温度效应,为研究聚合物与有机粘土之间的相互作用对粘土片层剥离的影响提供了一个理想的物理模型。
4)在简单而温和的条件下,用预剥离法制备出具有超拉伸性能的聚氨酯橡胶/有机粘土纳米复合材料,通过力学性能测试可知,含2wt％有机粘土的聚氨酯橡胶/有机粘土纳米复合材料的断裂伸长率达到1159.4％(是纯聚氨酯的3.47倍),而且此材料的断裂强度也是纯聚氨酯的2.21倍。用2 wt％的有机粘土就能使聚氨酯材料的断裂伸长率得到成倍增加是很少见的,而且有机粘土的加入同时达到增强增韧的效果。在整个制备过程中不需要高温和溶剂,而且对生产设备没有特殊要求,为液体橡胶的工业应用方面提供了广阔前景。
5)利用XRD和TEM研究了聚氨酯橡胶/有机粘土纳米复合材料的微观结构,并通过FT-IR、DSC、NMR等表征方法探讨了聚氨酯橡胶/有机粘土纳米复合材料中氢键的变化情况。通过研究纳米复合材料的微观结构与力学性能的关系,来揭示有机粘土对聚氨酯纳米复合材料力学性能的增强机理,为开发研制高性能的新型纳米复合材料提供理论依据。
本论文从液体橡胶着手,首先在简单而温和的条件下实现有机粘土片层在液体橡胶中自发剥离,然后通过研究此纳米复合凝胶的流变行为对有机粘土片层在液体橡胶基体中的剥离过程进行原位观测,最后将这种含有预剥离粘土片层的液体橡胶纳米复合凝胶直接交联使用,制备出力学性能优越的聚氨酯橡胶/有机粘土纳米复合材料。全文积极探索在简单及温和工艺条件下制备橡胶/粘土纳米复合材料的新方法和新技术,从结构到性能、从微观到宏观系统地研究了此橡胶/有机粘土纳米复合材料,希望对新型纳米复合材料的理论研究和工业应用都起到一定的推动作用。