接枝改性炭黑、白炭黑应用于天然橡胶的性能研究

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导师姓名
陈中华  刘安华
学科专业
材料学
文献出处
华南理工大学   2014年
关键词
炭黑论文  白炭黑论文  天然橡胶论文  接枝改性论文  补强机理论文  反式天然橡胶论文  弹性球铰论文
论文摘要

橡胶材料因其具有高弹性、耐磨性、绝缘性、质轻和加工方便等优点,被广泛用于交通、机械、电子、国防和国民经济的其它领域。随着社会进步和科学技术的发展,人们对橡胶各项性能指标的要求也越来越高。在已有材料基础上,经过适当处理来提升橡胶的各项性能指标是较为合理的方法之一。基于此思想,本论文主要从两方面开展了研究工作。一是针对天然橡胶用补强填料炭黑与白炭黑的表面能高,与橡胶的相容性差,在混炼过程中很难均匀分散于橡胶基体中,从而导致填料对天然橡胶的补强作用有限的问题,采用表面接枝对炭黑与白炭黑进行表面改性处理,改善其在橡胶基体中的分散及与橡胶基体的相容性。研究了接枝改性前后的补强填料对橡胶材料整体性能的影响,主要分三个部分进行了研究。(1)炭黑表面改性及其在天然橡胶中的补强效应研究。针对炭黑表面含氧官能团少,直接进行表面改性效果较差的问题,通过液相氧化增加炭黑表面含氧官能团后,再与聚乙二醇400进行接枝反应,并研究了不同条件对炭黑表面接枝改性的影响。在炭黑表面引入长链有机基团,从而降低了炭黑表面内聚能,增加了炭黑表面空间位阻。将接枝改性炭黑应用于补强天然橡胶,并与未改性炭黑进行比较的结果表明:接枝改性炭黑加入有利于提升天然橡胶的综合性能。(2)白炭黑表面改性及其在天然橡胶中的补强效应研究。针对白炭黑表面硅羟基较多,改性反应较易进行的特点,通过在混炼阶段直接加入改性剂对白炭黑进行固相原位接枝改性,研究了不同改性条件对白炭黑原位接枝改性的影响。将原位接枝改性白炭黑应用于补强天然橡胶,并与未改性白炭黑进行比较的结果表明:原位接枝改性白炭黑加入有利于提升天然橡胶的综合性能。针对改性的影响条件较多的问题,对各种改性条件进行了正交试验,极差分析的结果与单因素分析结果一致。最佳改性条件为:改性剂选用Si-69,最佳用量为8份,分散剂B-52用量为2份,热处理温度为120℃,热处理时间为8min。(3)对炭黑、白炭黑填充天然橡胶进行了应变软化和Payne效应研究。研究了炭黑、白炭黑补强天然橡胶的应变软化和补强机理。结果表明:在低填料填充量时,应变软化机理主要为分子链脱落与滑移;而在高填料填充量时,应变软化机理中聚集体破裂机理开始占主要因素。二是针对炭黑改性虽对天然橡胶的强度、耐磨性等性能提升较大,但对天然橡胶的屈挠性能提升不够;白炭黑改性虽对天然橡胶的屈挠性能提升较大,但对天然橡胶的补强较弱的问题,通过在天然橡胶中并用部分反式天然橡胶、炭黑与白炭黑并用填充等手段来提升胶料的综合性能。研究了不同TPI并用量、不同硫化条件和不同炭黑与白炭黑并用比对胶料综合性能的影响。并将综合性能较好的配方用于弹性球铰的制备,研究了填料原位接枝改性、TPI与NR并用等方法对胶料应用性能的影响。研究结果表明:填充原位接枝改性的炭黑与白炭黑并用,天然橡胶中并用10份TPI的橡胶球铰径向静刚度、轴向静刚度和疲劳寿命都得到了提升。

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摘要

ABSTRACT

缩写词和代号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 天然橡胶概述

1.3 古塔波胶(杜仲胶)概述

1.4 橡胶用主要补强填料

1.4.1 炭黑概述

1.4.2 白炭黑概述

1.5 填料补强橡胶理论综述

1.5.1 填料-聚合物之间的相互作用

1.5.2 填料-填料相互作用

1.5.3 填料补强橡胶作用机理

1.6 研究背景与意义

1.7 研究思路与内容

1.7.1 研究思路

1.7.2 研究内容

1.8 主要创新点

第二章 表面接枝改性炭黑制备与表征

2.1 引言

2.2 炭黑表面接枝改性原理与研究思路

2.2.1 改性原理

2.2.2 研究思路

2.3 实验部分

2.3.1 实验药品与仪器

2.3.2 炭黑表面接枝改性

2.3.3 样品的分析、表征

2.4 结果与讨论

2.4.1 炭黑表面氧化的表征与分析

2.4.2 炭黑表面接枝改性的表征与分析

2.5 本章小结

第三章 改性炭黑补强天然橡胶的性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品与仪器

3.2.2 天然橡胶/改性炭黑材料的制备

3.2.3 硫化特性测试

3.2.4 物理机械性能

3.2.5 硫化胶交联密度的测定

3.2.6 混炼胶结合橡胶的测定

3.2.7 动态力学特性测试

3.2.8 胶料微观形貌观察

3.3 结果与讨论

3.3.1 表面接枝炭黑对天然橡胶硫化性能的影响

3.3.2 表面接枝炭黑对天然橡胶表观交联密度的影响

3.3.3 表面接枝炭黑对天然橡胶力学性能的影响

3.3.4 表面接枝炭黑对天然橡胶耐磨性能的影响

3.3.5 表面接枝炭黑对天然橡胶屈挠性能的影响

3.3.6 表面接枝炭黑对天然橡胶动态力学性能的影响

3.3.7 炭黑、改性炭黑与天然橡胶间的相互作用

3.4 本章小结

第四章 改性炭黑补强天然橡胶的 Payne 效应研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品与仪器

4.2.2 接枝炭黑/天然橡胶的制备

4.2.3 RPA 效应分析

4.3 炭黑在天然橡胶基体中的分散与聚集

4.3.1 炭黑用量对天然橡胶 Payne 效应的影响

4.3.2 停放时间对天然橡胶 Payne 效应的影响

4.3.3 结合胶与混炼胶剪切模量 G′的关系

4.4 本章小结

第五章 改性炭黑补强天然橡胶的应变软化特性研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验原料

5.2.2 炭黑与改性炭黑填充天然橡胶的制备

5.2.3 应变软化测试

5.3 结果与讨论

5.3.1 不同含量填料填充天然橡胶的应变软化效应

5.3.2 炭黑改性前后对天然橡胶的应变软化效应影响

5.3.3 后处理方式对天然橡胶应变软化效应的影响

5.3.4 橡胶分子链的极限伸长

5.3.5 天然橡胶/炭黑的补强机理与应变软化机理

5.4 本章小结

第六章 原位接枝白炭黑用于天然橡胶的性能研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1 实验药品与仪器

6.2.2 原位接枝改性白炭黑/天然橡胶的制备

6.2.3 性能测试

6.3 结果与讨论

6.3.1 改性剂种类对天然橡胶/白炭黑性能的影响

6.3.2 改性剂用量对天然橡胶/白炭黑性能的影响

6.3.3 分散剂用量对天然橡胶/白炭黑性能的影响

6.3.4 热处理温度对天然橡胶/白炭黑性能的影响

6.3.5 热处理时间对天然橡胶/白炭黑性能的影响

6.3.6 白炭黑补强天然橡胶配方的正交试验

6.3.7 白炭黑在天然橡胶基体中的分散与聚集

6.4 本章小结

第七章 高性能天然橡胶的制备与性能研究

7.1 前言

7.2 实验部分

7.2.1 实验药品与仪器

7.2.2 试样制备

7.2.3 性能测试

7.3 结果与讨论

7.3.1 TPI 基础性能研究

7.3.2 TPI 并用量对天然橡胶性能的影响

7.3.3 促进剂种类对 NR/TPI 性能的影响

7.3.4 不同硫化体系对 NR/TPI 性能的影响

7.3.5 炭黑与白炭黑并用比对 NR/TPI 性能的影响

7.4 本章小结

第八章 动态高性能天然橡胶的工业应用研究

8.1 前言

8.2 实验部分

8.2.1 实验原料与仪器

8.2.2 试样制备

8.2.3 性能测试

8.3 结果与讨论

8.3.1 三种弹性球铰的静刚度测试

8.3.2 三种弹性球铰的疲劳寿命测试

8.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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