高填充橡胶粘土纳米复合材料的结构性能研究.pdf

高填充橡胶／粘土纳米复合材料的结构性能研究卢咏来，李昭．马勇，张立群(北京化工大学先进弹性体材料研究中心(CAEM)，北京化工大学100029)近些年来，聚合物／粘土纳米复合材料(PCN)因其优异的性能而成为被工业和学术界广泛研究的热点领域。与传统的聚合物基复合材料相比，PCN具有更好的或全新的性能，如更高的力学性能，更低的气体透过和吸湿性，更好的阻燃性能。目前，该领域的研究集中在粘土用量较低的PCN(一般小于20％)，而关于高填充PCN的研究非常罕见，目前的几篇关于高填充的研究对这类PCN的性能报道的也很少。本工作通过常规的熔体共混法成功制备了高填充橡胶／粘土纳米复合材料(RCN，有机粘土含量最高达60％)。利用XRD和TEM研究了这类高填充纳米复合材料的微观结构。同时较系统地研究了该类RCN的力学性能和气体阻隔性能。研究发现，高填充的RCN具有很多低填充时不具备的性能优势，在很多领域具有应用前景。1．1原材料和基本配方二元共聚氯醚橡胶(C65)：武汉有机实业产品；丁苯橡胶(SBR一1502)：吉林化学工业公司；乙丙橡胶(EPDM一4045)：吉林化学工业公司。有机蒙脱土(I．30P)美国Nanocor公司产品，其他试剂均为市售。本文涉及材料的基本配方如表1先将生胶、氧化锌、硬脂酸和有机粘土按照表1的配比，在双辊开炼机上混合均匀。再将该胶料在90℃的热辊上返炼10min，驱除其中的小分子挥发分。然后再在冷辊上(辊温不超过50"C)将其他配合剂混入胶料，制得混炼胶料。使用平板硫化机在，160℃和150MPa的压力下进行硫化。硫化的时间为各混炼胶料的正硫化时间(T90)。1．3测试与表征硫化胶的拉伸实验按照相关国标进行，拉伸实验采用6．0mm宽度裁刀制哑铃形试片。拉伸速率为500mm／min，测试温度为20～23。C。DMTA测试采用美国RheometricScientific公司生产的DMTAIV型动态力学热分析仪，测试频率1HZ，升温速率10℃／rain。WAXD测试采用日本理光公司生产的D／2+／PC型X光衍射仪测定混炼胶和硫化胶中有机粘土的晶面层间距(doo，)。所采用衍射直径为185nm，工作电压为40kV，工作电流为200mA，在28为0。5～10。的范围内对样品以l。／min的速度进行扫描TEM观察使用日本日立公司生产的H一800—1型透射电子显微镜和日本电子公司生产的JEOL2010型高分辨透射电子显微镜，加速电压200kV。使用液氮将纳米复合材料样品冷冻至100。C，制成厚度小于lOOnm的超薄切片以供观察使用。根据ISO标准IS02782tl制自动化气密性测试仪进行气体阻隔性能测试，采用氮气(N：)作为测试气体，测试压力0．57MPa，测试温度250c。测试样片为8ram直径圆形薄片。厚度采取测五2006年橡胶新技术交流暨信息发布会实验所示。1．2加工工艺1表1橡胶／有机粘±纳米复合材料基本配方橡胶配合剂及用量氯醚橡胶ECO(II)2．0，防老剂NBC1．0，防老荆MB丁苯橡胶2．0，促进剂DM0．5，促进剂M0．5，促进剂TT2．0，防老剂4010NA乙丙橡胶1．0，促进剂M注；有机粘土I．30P的用量为10、10，20，40，60,80，100，150份．max2500VB102SA0．s，Pb30·5，NA221．5ZnO5．O，SA0．2，S5．0，SA1．0，S1．0’
里!丝：!丕垡!翌2点厚度，取平均值方法。实验前用乙醇对薄膜表面进行清洗，然后放入干燥器干燥24h。所用气体分析装置为气相色谱分析仪，测试原理为保持薄膜两侧压差恒定，检测单位时间透过气体的体积。计算小分子穿透聚合物薄膜的透过能力有很多种办法，本文采用测试透气系数的办法，公式如下[149]：其中，y表示气体透过量，d表示采用的薄膜样片的厚度，s表示气体在薄膜样片上的透过面积，t表示气体透过时间，P表示薄膜两面压差。根据公式(1)，对测试过程采取自动控制后，得到的数据进行VisualBasic程序处理，计算得出透气系数。2结果与讨论2．1不同填充量的橡胶／粘土纳米复合材料的微图1为不同用量橡胶／粘土纳米复合材料(RCN)的广角X射线衍射谱图。首先我们可以发现，在粘土用量超过100份的情况下，有机粘土的(001)衍射都明显大于有机土原始的(001)层间距(2．2nm)。这表明通过熔体共混的方法，可以在高填充(质量分数高达60％)的情况下，使橡胶大分子链插入粘土层间，形成纳米复合材料。除此之外，还发下以下实验现象：(1)在低填充量时，在极性强的基体中(如ECO)，粘土的分散程度更高，甚至可以达到近剥离型分散，而在非极性橡胶中(如EPDM和SBR)中为插层型分散结构。(2)在ECO体系，粘土用量超过40份后，为典型的插层型结构，且插层结构的