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天然橡胶/蒙脱土纳米复合材料的阻隔性及相关性能研究

王文涛

  聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料具有许多优异的特性,其中阻隔性及其相关的耐老化性能、阻燃性能、热稳定性及耐溶剂性能等,是聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的重要性能,其研究具有重要的理论和实际意义。本论文研究了天然橡胶/蒙脱土纳米复合材料的气体阻隔性能及其相关性能,包括耐老化性能、阻燃性能、热稳定性及耐溶剂性能,研究了天然橡胶/蒙脱土纳米复合材料的结构形态与性能间的相互关系,并初步探讨了这类纳米复合材料的阻隔机理。 选用多种实验室自制的层间含有反应性基团的有机改性蒙脱土(EMT、AMT、HMMT、USM、OMT、TMT),以机械混炼插层法制备了天然橡胶/改性蒙脱土纳米复合材料。X射线衍射(XRD)研究表明,与未改性蒙脱土(MMT)比较,这些改性蒙脱土的层间距(d001)被不同程度地撑大;与EMT比较,EMT与NR形成的复合材料中的EMT层间距进一步增大。纳米复合体系的交联密度比纯天然胶体系增大,力学性能明显提高,且热稳定性增强。有机改性蒙脱土可以显著提高复合材料硫化胶的气体阻隔性能,其中NR/EMT的气体透过率最低。随着EMT用量的增加,NR/EMT复合材料的气体透过率减小,并在EMT用量10份以后趋于稳定。温度对气体透过率的影响遵守Arrheniuis公式,气体透过活化能按NR、NR/MMT、NR/EMT的顺序依次增大,表明NR/EMT复合材料的气体阻隔性优于NR和NR/MMT。 采用机械混炼原位反应法制备了NR/EMT/RH纳米复合材料。XRD研究发现改性剂RH可使复合体系中蒙脱土的层间距由NR/EMT体系的1.71nm扩撑到2.05nm,促进了插层纳米复合。透射电镜(TEM)结果表明,蒙脱土片层以长100~200nm,厚10~50nm的形态定向插层分散于天然橡胶基体中。蒙脱土和橡胶基体之间的界面形成了紧密的化学结合和氢键结合,导致交联密度显著增加。NR/EMT/RH纳米复合材料中的纳米片层结构、紧密的界面结合和交联密度的提高,延缓和阻碍了气体和溶剂小分子透过硫化胶膜,提高了纳米复合材料的气体阻隔性能和耐溶剂性能。由于取向排列的蒙脱土片层有效阻隔了硫化胶中热、光的传播和氧、臭氧等气体的扩散,因而纳米复合材料具有较好的耐热氧老化、耐紫外光老化及耐臭氧老化性能,并可提高复合材料的热稳定性和阻燃性能。热降解动力学分析表明,NR、NR/EMT、NR/EMT/RH三个体系的热降解均为一级反应,但NR/EMT/RH具有较高降解活化能,热稳定性最高。 采用机械混炼原位反应法制备了NR/EMT/GMA纳米复合材料。XRD分析发现改性剂GMA可使复合体系中蒙脱土的层间距由NR/EMT体系的1.71nm扩撑到1.79nm,而衍射峰强度明显减小。TEM观察表明蒙脱土片层以长约100~200 nm,厚40~80nm的形态定向分散于天然橡胶基体中。傅立叶红外光谱(FTIR)等结果表明,GMA的不饱和双键与天然橡胶分子链发生交联作用,同时其环氧基与EMT表面的羟基发生亲核取代反应,从而使蒙脱土和橡胶基体界面形成紧密的化学结合,引起交联密度显著增加。NR/EMT/GMA纳米复合材料的这些结构形态特点导致其对气体的阻隔性显著增加,耐热氧老化、耐紫外光老化及耐臭氧老化性能明显改善,并可提高复合材料的热稳定性、阻燃性能和耐溶剂性能。从复合材料热降解动力学分析,探讨了复合材料热稳定性提高的规律和机理,即在EMT片层起到对热和分解产物阻隔作用的同时,亦因GMA引起硫化胶中EMT与NR分子链作用方式和结构的变化而导致热降解反应活化能的升高,提高了整体的热稳定性。……   
[关键词]:天然橡胶;改性蒙脱土;纳米复合材料;气体阻隔性能;阻燃性能;耐老化性能;耐溶剂性能
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2010年
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