氢化丁腈橡胶_有机蒙脱土纳米复合材料的性能.pdf
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1、2 0 0 7 年第2 6 卷第1 2 期化工进展C H E M I C A LD 旺邶S T R YA N DE N G D m E 砌时GP R O G R E S S氢化丁腈橡胶有机蒙脱土纳米复合材料的性能谷正,宋国君,王宝金,高镒明(青岛大学高分子材料研究所,山东青岛2 6 6 0 7 1)摘要:采用熔体插层法制备了氢化丁腈橡胶有机蒙脱土纳米复合材料,采用透射电镜和x 射线衍射仪对复合材料的结构进行了表征,并研究了复合材料的应力应变行为,耐老化性能、耐溶剂性能和动态力学性能。实验结果表明:制备了一种插层型纳米复合材料,复合材料的耐老化性能和耐溶剂性能良好,并且随蒙脱土含量的增大而增加;
2、动态黏弹谱(D M A)测试显示,纳米复合材料的玻璃化转变温度升高,且具有较低的滚动阻力,复合材料的动态力学性能优良关键词:氢化丁腈橡胶;应力应变;耐老化性能;耐溶剂性能;动态力学性能中图分类号:T Q3 3 1 4+3文献标识码:A文章编号:1 0 0 0 一6 6 1 3(2 0 0 7)1 2 1 7 6 7 0 4P r o p e r t i e so fH N B R 幻M M Tn a n o c o m p o s i t e sG UZ 矗阴g,S 0 GG M 巧“n,W r A GB 口巧历,G A D,缸,珊伽g(I n s d t u t c0 fP o l y m
3、c rM a t e r i a l s,Q i n g d a oU I l i V c r s i t y,Q i n g d a 02 6 6 0 7 1,S h 锄d o n g,C t l i n a)A b s t r a c t:T h eH N B 刚o M M Tn a n o c o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db yt l l em e l ti I l t e r c a l a t i o nm e t l l o d T h es n l l c t u r e0 fm ec o m p o s i t e sw 硒s
4、t I l d i e db yT E M 锄dX I T h eb e h a v i o ro fs 臼e s s s 廿a i n,a g i n gr e s i s t a n c e,s o l v e n tr e s i s t a L l l c ea n dd y n 枷cm e c h a n i c a lp m 口e m e so fH N B R O M M Tn a n o c o m p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e d T h er e s u l t so fT E M 锄d 己Ds h o w e dt l
5、 l a tt l l eO M M Tl a y e r sw e r ei n t e r c a l a t e di nt h eH N B Rm a t r i x T h ec o m p o s i t e sp o s s e s s e de x c e l l e n ta g i n gr e s i s 啪c e 卸ds o l v e n tr e s i s t a n c e,w I l i c hw a s却r o v e dw 汕m c f e a s i n gO M M Tc o n t e n t T h cd y n 锄i cm e c h a I l
6、 i c a l 孤a l y s i ss h o w e dm a t 疋o fH N B 刚O M M Tn 觚o c o r n p o s i t e ss l l i 缸dt oal l i g h e rt e m p e r a n,锄dt h en 锄o c O m p o s i t e sh a dag o o dr 0 1 n I l gr e s i s t a I l c e T h ec o m p o s i t e sd i s p l a y e db e t t e rd y n a I n i cm e c h a I l i c a lp r o p
7、e r t i e s K e yw o r d s IH N B R;s t r e s s s 仃咖;a g i n gr e s i s t a n c e;s o l V tr e s i s t a n c e;d y n a I I l i cm e c h a I l i c a lp r o p e r t i e s有机无机纳米复合材料是近十年来材料科学领域研究的热点,具有重要的理论意义及广阔的应用前景【1 1。目前橡胶工业广泛采用层状硅酸盐无机填料,在橡胶,层状硅酸盐纳米复合材料中,由于层状硅酸盐以纳米尺寸均匀分散在橡胶基体中,层状硅酸盐晶层的总比表面积以及形变系数都很高,
8、能明显改善复合材料的力学性能2 3】、热稳定性能4】和气体阻隔性能【5】等,这为橡胶技术的发展开辟了一个新的研究领域。传统的橡胶加工工艺只能使填料达到微米级分散,难以对橡胶产生较好的补强作用。随着插层技术的发展,出现多种可使层状填料达到纳米级分散的方法,主要有:熔体插层法、原位聚合插层法、溶液插层法、乳液插层法r 卜1 0】等。原位聚合法反应复杂、反应条件苛刻、不易控制、难以工业化生产;溶液插层法针对不同的橡胶必须选择合适的溶剂,而且溶剂回收困难对环境不利;乳液插层法工艺简单,易于控制,但是有机蒙脱土难以在水中分散,无机蒙脱土对橡胶的补强效果有限,必须高填充才能达到预期的效果;而熔体插层法则具
9、有工艺简单、易于控制、易于工业化生产的优点。现在已有制备S B 刚蒙脱土、M U 蒙脱土、N B 刚蒙脱土等复合材料的报道,但是对于特种橡胶氢化丁腈橡胶的报道却比较少。贾德民等【l l】采用原位聚收稿日期2 0 0 7 一0 7 1 2;修改稿日期2 0 0 7 一吣一0 6。第一作者简介谷正(1 9 8 2 一),男,顽士研究生。联系人宋国君,教授,博士生导师主要研究方向为聚合物改性、纳米材料等。电话0 5 3 2 8 5 9 5 3 7 9 6;E m a i ls 叩g w 缸g p u b h c q d 蚶。万方数据1 7 6 8 化工进展2 0 0 7 年第2 6 卷合插层法制备了
10、氢化丁腈橡胶,有机蒙脱土(m 惦刚o M h 仃)纳米复合材料,初步研究了复合材料的结构、力学性能等,对m 咂R o M 仃复合材料的性能未做进一步的讨论。K o n s t a n 血o sG G a t o s 掣1 2 J 采用熔融挤出法制备了H N B 刚O M 仉纳米复合材料,并研究了不同种类有机改性蒙脱土(填充量为1 0 份)对如惦啪M 仃纳米复合材料的力学性能及动态力学性能的影响。而关于有机蒙脱土含量对氢化丁腈橡胶的耐溶剂性能和耐老化性能影响的研究还未见报道。本文采用熔体插层法中的机械混炼法制备了 玎忸彤O M 町纳米复合材料,采用透射电镜和X射线衍射仪研究了复合材料的微观结构,
11、研究了有机蒙脱土含量对复合材料的力学性能、耐老化性能、耐溶剂性能和动态力学性能的影响。1实验1 1 实验原料氢化丁腈橡胶3 4 0 6:德国L A N x E S S 公司;有机蒙脱土,实验室自制;其它配合剂均为市售。1 2H N B 础r o M M T 纳米复合材料的制备将有机蒙脱土在s K 1 6 0 B 型双辊开炼机上根据比例加入到氢化丁腈橡胶中,并依次加入各种配合剂,混炼约1 5 l i n,停放2 h。硫化配方(1 0 0 份氢化丁腈橡胶):过氧化锌8份,硬脂酸0 5 份,硫0 5 份,T Tl 份,咖1 5份,C Z1 5 份。硫化条件:1 7 0 持续1 01 1 1 i n。
12、二段硫化:2 0 0持续2 4 h。1 3 性能测试(1)T E M 测试:样品硫化后用环氧树脂包埋,由超薄切片机进行切片,在日本J E O L 公司生产的厄M 1 2 0 0 E X 型透射电镜上观察。(2)X R D 测试:采用日本理学D M A x R B 型X 射线衍射仪,C l 施靶(A=o 1 5 4 衄)进行测试。扫描角度范围为2 1 0 0。(3)力学性能测试:按G B 厂r5 2 8 一1 9 9 8 在上海市德杰仪器设备有限公司生产的D X L L 一5 0 0 0 0 型电子拉力实验机上测试试样的拉伸性能,拉伸速度为5 0 0 m m 血n。(4)耐老化性能:采用扯断法根
13、据G B,T3 5 1 2 2 0 0 1 进行测试,老化条件为2 0 0 持续7 0h。(5)耐溶剂性能:采用扯断法根据G B 厂r1 6 9 0-_ 9 2 进行测试,试样在1 5 0 下l。标准油中浸泡7 0h。(6)D M A 测试:采用R h e o m e t r i cs c i e n t i f i c 嘲D M T AV 型动态热机械分析仪,测试频率为1 0H z,温度为一8 0 5 0,升温速率为3 列I I l i n。2 结果与讨论2 1H N B 刚o M M T 纳米复合材料的T E M 分析图l 中白亮色区域为橡胶基体,而分布在其中的黑色细线为有机蒙脱土片层。由
14、图1(a)可知,蒙脱土片层无序分散在橡胶基体中,但仍可观测到部分有机蒙脱土片层的聚集体:图1(b)在更大的放大倍数下给出了蒙脱土片层更加精细的结构,有机蒙脱土片层以单个片层或者多晶层分布在橡胶基体中。被撑开的有机蒙脱土片层长度为1 0 0 3 0 0 哪,厚度为3 0 4 0 衄。说明橡胶大分了链插层进入有机蒙脱土片层间,撑开了层间距,并使得部分蒙脱土片层的晶体结构被破坏,使得蒙脱土片层发生了剥离。分析认为制得了一种插层型纳米复合材料。(a)(b)图l 惦O M M T 纳米复合材料的T E M 照片2 2H N B 刚o M M T 纳米复合材料的X R D 分析图2 为M M T、O M
15、仃和H 佃刚O M M T 纳米复合材料的m 谱图。由图2 可知,改性后的O M M T的衍射峰向小角度方向移动,其l 晶面的衍射峰由改性前的5 5 7 0 减小到2 4 1 0,根据B r a g g 方程可计算出M M T 的层间距为1 5 8 衄,有机改性后的层间距变为3 6 6 衄,而 玎惦啪 o 仃纳米复合材料的西D o l衍射峰角度小于2 0,在2 1 0。内衍射峰消失,说明插层后纳米复合材料的层间距进一步增大,并且可能存在部分剥离的单片层结构。出现层间距增大的原因主要是有机改性剂插层进入M 仃层间,撑大了层间距;大分子进入到O n 仃层间发生插层,增大了层间距。结合耵瑚分析认为制
16、得的m 怊O 舢复合材料为插层型纳米复合材料。万方数据第1 2 期谷正等:氢化丁腈橡胶,有机蒙脱土纳米复合材料的性能1 7 6 9 2 吼。)图2M M T、0 M M T 和加q B 刚O M M T 纳米复合材料的)(】谱图2 3l I】、i B 刚D M M T 纳米复合材料的应力应变行为图3 为 玎惦刚O M M T 纳米复合材料的应力应变曲线。由图3 可知,蒙脱土的加入大大增加复合材料的应力。当应变较小(小于3 0 0)时,复合材料的应力随蒙脱土含量的增加变化不明显。分析认为,在较小的应交下,橡胶的大分子链还没有完全伸展,而且橡胶大分子与蒙脱土片层之间的缠结还未完全结开,因此在应变小
17、于3 0 0 时,蒙脱土用量对应力影响不大;当应变继续增大时,复合材料的拉伸强度先随蒙脱土含量的增加而增大,当增加到一定程度后,复合材料的拉伸强度又减小。分析认为,当应变进一步增大时,大分子链完全伸展,大分子链发生滑移,同时蒙脱土含量的增加使得复合材料中缠结点数目增加,所以复合材料的拉伸强度增加。01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0应力应变,图3 卸悃刚o M M T 纳米复合材料的应力应变曲线当蒙脱土含量达到1 2 份时,复合材料的拉伸强度开始下降,而且加入蒙脱土后复合材料的断裂伸长率均小于纯胶。分析认为蒙脱土加入心B R 中存在两方面的作用:达到纳米级分散的蒙脱土片层与大分
18、子链发生缠结,使得复合材料的拉伸强度增加;对于拉伸结晶橡胶H N B R,蒙脱土片层对橡胶分子链的限制作用阻碍了H N B R 的拉伸结晶,使得复合材料的断裂伸长率下降和强度降低。在蒙脱土含量较低时,H】惦R 拉伸结晶受到的影响较小。虽然断裂伸长率有所下降,但是蒙脱土的补强作用占主导,因此复合材料的拉伸强度先随蒙脱土含量的增加而增大;但蒙脱土含量较大时,蒙脱土片层对H 1 惦R 拉伸结晶的限制【9】作用占主导地位,从而导致复合材料的断裂伸长率下降,强度发生下降。2 4 知R,o M M T 纳米复合材料的耐老化与耐溶剂性能表l 为m 临彤O M M T 纳米复合材料的耐老化性能和耐溶剂性能。由
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