溶聚丁苯橡胶纳米复合材料界面定量研究：白炭黑性质的影响
为节约资源、保护环境以实现可持续发展，低碳节能的“绿色”轮胎已成为轮胎行业发展的主题和方向。白炭黑作为绿色轮胎常用的补强剂，兼顾了安全性和经济性原则，可以显著降低滚动阻力，节省燃油，溶聚丁苯橡胶也具有生热低和耐磨耐屈挠等优点，因而通常被作为绿色轮胎的胎面胶。对于具有多层次多尺度复杂微观结构的橡胶基纳米复合材料而言，填料粒子在基体中的空间分散与复合材料的界面相互作用是制备高性能复合材料的关键因素。作为橡胶与无机纳米粒子之间连接的纽带，界面可以起到传递应力的作用，进而影响复合材料的宏观性能，界面研究具有重要的意义和价值。但是传统的界面表征方法大多是间接、定性或者半定量的，并不能得到准确的结论，界面微观结构及形成机制等仍没有确切的认识。本论文我们采用原子力显微镜(AFM)的峰值力定量纳米力学技术(PF-QNM)，建立了一种定量表征白炭黑/溶聚丁苯橡胶纳米复合材料界面性能的方法，系统研究并揭示了白炭黑的物理化学性质对填料橡胶间界面相互作用及界面性能的影响规律，旨在有效提高材料的综合性能。我们主要进行了以下四个方面的研究: 1、采用AFM的PF-QNM模式对SiO2/SSBR纳米复合材料进行表征，得到了清晰的高度图、粘附力图和杨氏模量图等，利用填料周围界面层区域纳米力学性能逐渐增大的现象，建立了微观定量纳米识别SiO2/SSBR纳米复合材料界面厚度的方法。此外，我们观察到了界面双层结构，对紧致层和疏松层的厚度分别进行了统计。通过HR-TEM对结合胶的直接观察发现紧密层厚度约为4nm，验证了该方法的准确性。 2、从填料表面化学基团对复合材料界面性能的影响这一角度出发，用KH570、Si69和DA-Si69三种改性剂处理白炭黑表面，从AFM的结果可知，改性后白炭黑与橡胶间界面厚度值有不同程度的提高，Si69比KH570改性白炭黑具有与橡胶基体更大的界面层厚度值，DA包覆后界面层厚度进一步增加。同时，我们发现界面层厚度的增加主要在于疏松层。之后我们还利用扫描电镜，动态机械分析，热力学参数分析以及力学性能测试等，综合分析后发现界面相容性和界面相互作用增加，与AFM结果一致。 3、采用不同用量的Si69对白炭黑进行表面处理，研究了改性剂的接枝率对SiO2/SSBR纳米复合材料界面性能的影响规律。AFM的结果表明，随着接枝率的提高，复合材料界面层厚度逐渐增大，由8.3 nm提高到了17.2 nm，且增大主要在于疏松层的厚度。与此同时，我们根据填料的分散性、Tg的变化、界面张力的大小以及拉伸强度的变化情况等得出，随着接枝率的提高，填料-橡胶间的界面相容性提高，界面相互作用逐渐增大。 4、选用了三种粒径分别为20 nm、200 nm和1μm的白炭黑，研究了白炭黑的粒径对复合材料界面性能的影响规律。AFM的结果表明，随着白炭黑粒径的增加，界面层厚度值逐渐增大，总界面层厚度由8.3 nm增加到了19.1 nm。而由于粒径不同引起填料颗粒数目存在很大差别，总界面相体积由1.17×10-5 m3逐渐减小到2.7×10-7 m3。与此同时，复合材料的Tg逐渐下降，拉伸强度逐渐下降。
轮胎;纳米复合材料;溶聚丁苯橡胶;白炭黑;物理化学性质;界面性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
冯予星;田明
2017
中文
TQ336.1
91
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）