丁腈橡胶粘土纳米复合材料的阻燃性研究.pdf

丁腈橡胶／粘土纳米复合材料的阻燃性研究王立，孙翠华．李培耀(青岛大学化工学院。青岛266071)纳米复合材料是近年来发展较为迅速的一种新型复合材料。纳米复合技术的问世为高分子材料改性和高性能化开辟了崭新的途径，为获得多功能性和优异性能的材料提供了一条有效途径。聚合物／粘土纳米复合材料能够揉和有机一无机两相性质，得到性能优异的复合材料。只要极少比例的粘土(约5％)，就可大幅度提高聚合物的力学性能。1987年丰田公司的研究小组报道了尼龙6／粘土纳米复合材料[1]，材料的热变形温度较纯尼龙6有大幅度提高，同时力学性能和阻隔性能均有不同程度的提高。现今粘土纳米复合材料已成为研究的热点，并相继研究出了多种聚合物／粘土纳米复合材料，如聚酰亚胺[2]、环氧树脂‘引、聚氧化乙烯[“、聚甲基丙烯酸甲酯[5’6]等几十种，其中有多种聚合物已经实现了一定的工业化生产。由于粘土结构上有许多引人注目的优良特点：(1)粘土具有天然的纳米片层结构，通过简单的复合技术就能剥离成纳米尺度的片层，均匀分散在聚合物基体中，制得聚合物基纳米复合材料；(2)粘土来源丰富且价格非常低廉；(3)只需很少的填料即可使复合材料具有相当高的强度、弹性模量、尺寸稳定性、热稳定性及阻隔性能等。因此越来越受到国内外相关行业的重视[7’8]。借鉴于粘土在树脂中的应用，科学工作者对粘土在橡胶中的应用也开始了研究[9]。初步研究结果表明：粘土对橡胶起到了一定的补强作用，可以大幅度提高橡胶的力学性能[1叼；而且橡胶／粘土复合材料的加工性能好，相对于碳黑补强橡胶具有更好的阻燃性能。粘土能否代替炭黑作为橡胶的一种新型的补强剂成为众多科研工作者的研究热点，但目前的研究多集中在力学性能上，对其阻燃性的研究尚不多。随着社会的进步和科学技术发展，人们对安全和环保的要求越来越高，许多行业和场所使用的橡胶制品，在阻燃性能方面都已有相应的要求和法规。因此，在保证力学性能的基础上，高阻燃性的材料将拥有更加广阔的市场前景。本文采用新颖的挤出插层复合法制备了NBR／粘土纳米复合材料，并对材料的阻燃性能进行了研究。有机改性蒙脱土，实验室自制；NBR；NBR41(丙烯腈含量为41％)，中国石油兰州石化公司；其他配合剂均为市售。开放式炼胶机：XK一160B型，盛华隆机械股平板硫化机：QLB--350X350X2型，上海第一橡胶机械厂双螺杆挤出机：SL一35B四川广汉市广中机械厂透射电子显微镜：JEM一2000EX型，日本JEOL公司，加速电压：120kV氧指数测定仪：HC一2，南京江宁县分析仪器有机粘土(自制)为变量，NBR和其他配合剂王立等丁腈橡胶／粘土纳米复合材料的阻燃性研究摘要：通过利用自制有机改性粘土，采用插层复合法成功制备了丁腈橡胶(NBR)／粘土纳米复合材料。透射电子显微镜(TEM)结果证实了粘土片层在橡胶基体中的纳米级分散。研究结果表明：纳米复合材料的阻燃性能明显高于炭黑补强胶料的阻燃性能。关键词：粘土fNBR；纳米复合材料；阻燃实验部分实验原料1．2实验仪器份有限公司厂1．3纳米复合材料的制备11．1189
为定量，分别用双螺杆挤出机挤出复合及开放式炼胶机直接共混制得NBR／粘土纳米复合材料。复合材料用平板硫化机硫化，对比样品为等量炭黑补强的NBR橡胶。1．4测试与表征采用JEM一2000EX型透射电子显微镜(TEM)观察橡胶基体中粘土片层的厚度及分散情况；用HC一2型氧指数测定仪对纳米复合材料的阻燃性能进行了测试。2结果与讨论2．1不同方法制备的NBR／粘土纳米复合材料的亚微观形态从图1可以看出在橡胶基体中有些“黑线”和“黑线束”，这分别为粘土晶层和粘土晶层的聚集体。(a)图中粘土在橡胶中的分散非常均匀，大部分以几个晶层聚集体的形式存在，厚度约为10--20nm之间，长度约为100—200nm；推测部分粘土已达到了单晶层的分散，厚度约为1nm。粘土片层与橡胶基体的结合界面模糊，说明粘土与橡胶已经达到了很好的结合，对粘土进行有机改性提高了它与橡胶的相容性，达到了预期的效果。(b)图中粘土的分散也比较均匀，一部分以纳米片层分散在基体中，但是一部分粘土以团聚体的形式存在于基体中，分散效果比挤出复合法要差，这是由于开放式炼胶机的机械剪切作用弱于挤出机的机械剪切作用的原因。所以挤出复合法比直接共混法制备的复合材料中粘土片层的纳米分散结构要好的多。由图l可以看出粘土片层在基体中长短不一，这可能是由于粘土矿物在形成过程中造成的，需要从地质学角度解释[8]。由于粘土晶层间有很强的化学键结合，层与层之间的分子间作用力与化学键相比小得多。当晶粒受到剪切力时晶层首先被分散开，分散后的单晶层尺寸小、受的剪切力很小。因此机械剪切力有助于粘土颗粒的分散、晶层分离及剥落，但造成片层长短不一的可能性从TEM图中还可以看出粘土片层在橡