极性小分子/丁腈橡胶杂化材料的制备及其阻尼性能研究

【摘要】由于具有独特的黏弹性行为,橡胶作为阻尼材料广泛应用在汽车、建筑、精密机床、舰船等领域。与传统的橡胶基复合材料相比,有机小分子/橡胶杂化材料因其具有优异的阻尼性能,近年来受到广泛关注。关于该类杂化材料的制备以及结构与性能关系等问题的研究具有重要的理论价值和实际意义。本论文采用特定的制备工艺在橡胶基体中添加有机小分子制备了极性小分子/橡胶杂化阻尼材料。系统研究了基体的不同种类及用量、小分子的种类及用量、混合工艺及工艺参数等对杂化材料的微观结构(相态结构、氢键网络结构等)、阻尼性能、力学性能的影响,并初步阐述了橡胶基体中构建氢键网络的机理。在此基础上,探索了炭黑、白炭黑对杂化材料的填充增强效果,考察了炭黑、白炭黑对杂化材料阻尼性能的影响,获得了有意义的结果。具体包括以下几个方面：1.将受阻酚型有机小分子AO-80加入到NBR(型号N220S,丙烯腈含量为41%)中制备了NBR/AO-80杂化材料。杂化材料的红外谱图中存在AO-80端羟基的氢键特征峰,并且谱带向低波数移动。NBR/AO-80杂化材料只有一个与基体相对应的玻璃化转变,并且Tg随着AO-80份数的增加大幅度升高。结合SEM和TEM的测试结果,AO-80在NBR基体中形成了近分子水平的分散。当AO-80的添加量增大后,在基体中形成了AO-80的富集相。AO-80分子的端羟基与NBR大分子的极性基团间形成了大量的氢键,并构成氢键网络。NBR/AO-80杂化材料只有一个与NBR基体对应的损耗峰；随着AO-80的用量增加,损耗峰的位置向高温区域移动,损耗峰的峰值逐渐增高(高达3.2),损耗峰的半峰宽增大。NBR/AO-80杂化材料表现出了优异的阻尼性能。在未进行填充补强的情况下,NBR/AO-80杂化材料表现出了优异的力学性能,拉伸强度大幅度提升(为纯NBR硫化样的2-6倍),断裂伸长率增加,永久变形小,耐热老化性能优良等。这归因于受阻酚与NBR基体间存在的大量的氢键作用。对于不同丙烯腈含量的NBR来说,添加不同份数的AO-80制备了NBR/AO-80杂化材料。AO-80与不同型号的NBR相容性良好,杂化材料呈现与NBR(220S)/AO-80相似规律的结构和性能。但是随着NBR中丙烯腈含量降低,杂化材料的阻尼性能和力学性能呈现降低趋势。2.将受阻酚型有机小分子AO-60加入到不同型号的NBR中制备了NBR/AO-60杂化材料。杂化材料的红外谱图中存在AO-60端羟基的氢键特征峰,并且谱带向低波数移动。这表明体系中形成了更强的氢键网络作用。丙烯腈含量为41%的NBR/AO-60杂化材料随着AO-60份数的增加呈现两相结构：NBR富集相和受阻酚富集相,且DSC曲线存在相应的Tg。杂化材料呈现三个损耗峰,除了与NBR基体对应的损耗峰外,还在高温区域出现了分别与无定形态和有序态AO-60团聚体相对应的损耗峰。其它丙烯腈含量的NBR/AO-60杂化材料只有一个与基体相对应的玻璃化转变,并且Tg随着AO-60份数的增加大幅度升高。结合SEM和TEM的测试结果,AO-60在NBR基体中形成了细致的近分子水平的分散。当AO-60的添加量增大后,在基体中形成了AO-60的富集相。该杂化材料只有一个与NBR基体对应的损耗峰；随着AO-60的用量增加,损耗峰的位置向高温区域移动,损耗峰的峰值逐渐增高,损耗峰的半峰宽增大。NBR/AO-60杂化材料表现出了优异的阻尼性能。在未进行填充补强的情况下,NBR/AO-60杂化材料表现出了优于纯NBR硫化胶的力学性能,拉伸强度提升(约能达到纯NBR硫化样的2倍),断裂伸长率增加,永久变形较小,耐热老化性能优良等。这同样归因于AO-60与NBR基体间存在的大量的氢键作用。3.与纯丁腈硫化胶相比,炭黑、白炭黑增强NBR/AO-80复合材料的Tg向高温移动,损耗峰峰值小幅度降低,损耗峰的位置向高温移动,有效阻尼温域拓宽,表明该复合材料具有良好的阻尼性能；同时,炭黑、白炭黑增强NBR/AO-80复合材料的力学性能大幅度提高,拉伸强度达到28MPa,撕裂强度达到44KN/m,100%定伸应力和300%定伸应力也得到大幅度提高;在60℃高温下或100℃、48h老化后,炭黑、白炭黑增强NBR/AO-80复合材料仍有很好的力学性能。
【作者】赵秀英；
【导师】张立群；
【作者基本信息】北京化工大学，材料加工工程，2009，博士
【关键词】极性小分子；受阻酚；丁腈橡胶；氢键网络；杂化；阻尼性能；

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