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乳液附聚法制备纳米填料橡胶复合材料的研究

作　者: 张磊
导　师: 吴明生
学　校: 青岛科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 天然胶乳 纳米填料 乳液附聚 胶膜 分散性 动态性能natural rubber latex nano-filler latex agglomeration film dispersion dynamic properties
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文以天然胶乳为主体材料,选用N330炭黑、纳米碳酸钙、沉淀法白炭黑三种填料,分别采用T25高速分散机、超声波振荡器和高压均质机三种设备制备填料水分散体并处理天然胶乳与填料分散体混合乳液。采用激光粒度分布测定仪、相差显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等测试方法考察三种设备制备三种填料分散体的效果以及混合乳液中粒子的附聚效果。并用门尼粘度计,TG热重分析仪,RPA2000橡胶加工分析仪分析了三种填料母胶的性能,用电子拉力机考察了三种方法制备的三种填料与天然胶乳混合乳液胶膜及硫化胶的力学性能。结果表明:(1)用T25高速分散机制备N330炭黑、纳米碳酸钙、白炭黑分散体,处理时间和转子转速对三种填料分散体的粒径有明显影响,影响规律有差异。随分散机处理时间延长,三种填料分散体中颗粒尺寸不断减小,粒径分布变窄。在20000r/min的转速下,处理5分钟后,分散体中颗粒尺寸较小;三种分散体中,纳米碳酸钙分散体粒子的粒径最小,为0.9um,炭黑和白炭黑分散体粒子尺寸在7um左右。炭黑和纳米碳酸钙分散体稳定,沉降量小,而白炭黑分散体不稳定,沉降量大。纳米碳酸钙分散体粒子粒径随转子转速加快而逐渐减小,白炭黑分散体粒子粒径在高转速下才减小,而炭黑分散体粒子粒径随转速加快先增大,在高转速下减小。T25高速分散机处理填料分散体与天然胶乳混合乳液,可以实现三种填料粒子与胶乳粒子附聚,但效果不是很明显。由高速分散机处理的混合乳液制备的母胶中,三种填料的分散性较未处理前的好,硫化胶的拉伸强度高。(2)以炭黑和纳米碳酸钙为例考察了用超声波振荡器处理纳米填料悬浊液及混合乳液中粒子的分散性,同时将制得的混炼胶与传统机械混炼法所得胶料进行力学性能的比较。结果显示,两种分散体中填料粒子大,分散性差,沉降严重;扫描电镜图片显示,超声波处理填料分散体与天然胶乳混合乳液后,胶乳粒子表面光滑,无纳米粒子附着。母胶中填料的分散性及硫化胶的力学性能没有明显的改善。这表明超声波法很难实现纳米填料与天然胶乳的附聚,对改善填料在胶料中的分散性作用不大。(3)采用高压均质机乳化法制备分散体及混合乳液。结果表明,分散体粒径小,分布窄,分散性好,沉降量小,贮存稳定。经高压均质机处理后混合乳液胶膜的各种力学性能优异。天然橡胶/纳米填料母胶门尼粘度高,模量高,氮气气氛中分解温度提高,母胶中纳米填料的分散性好。用压力附聚法制备的母胶硫化胶的物理机械性能要优于传统机械混炼法制备的胶料。炭黑填充量20份,纳米碳酸钙、白炭黑填充量5份时,硫化胶的物理机械性能达到最佳。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
前言  12-13
第一章 文献综述  13-30
  1.1 纳米橡胶复合材料的研究进展及应用  13-21
    1.1.1 纳米橡胶复合材料概述  13
    1.1.2 纳米填料对橡胶性能的影响  13-17
      1.1.2.1 纳米粒子粒径、表面活性、表面处理对橡胶性能的影响  13-14
      1.1.2.2 不同种类纳米材料对橡胶性能的影响  14-16
      1.1.2.3 功能性橡胶  16-17
    1.1.3 纳米材料在橡胶基体中的分散问题  17-19
      1.1.3.1 分散问题的提出  18
      1.1.3.2 分散机理  18
      1.1.3.3 团聚的原因  18-19
      1.1.3.4 改善方法  19
    1.1.4 各种合成方法对纳米粒子分散性的影响  19-21
      1.1.4.1 共混法  19
      1.1.4.2 原位聚合法  19-20
      1.1.4.3 溶胶- 凝胶法  20
      1.1.4.4 超声分散法  20
      1.1.4.5 层间插入法  20
      1.1.4.6 乳液共沉法制备纳米填料橡胶复合材料  20-21
    1.1.5 纳米橡胶复合材料发展前景  21
  1.2 乳液附聚技术  21-28
    1.2.1 概述  21-22
    1.2.2 天然胶乳  22-26
      1.2.2.1 天然胶乳的结构与性能  22-23
        1.2.2.1.1 天然胶乳的结构  22
        1.2.2.1.2 天然胶乳的性质  22-23
        1.2.2.1.3 天然胶乳的用途  23
      1.2.2.2 天然胶乳补强技术  23-24
      1.2.2.3 天然胶乳凝固工艺  24-25
      1.2.2.4 凝固剂浸渍法制备胶膜  25-26
    1.2.3 附聚机理的研究  26
    1.2.4 附聚技术的应用  26-27
    1.2.5 连续液相混炼工艺  27-28
  1.3 课题的目的及意义  28-29
  1.4 课题实验设计思路  29-30
第二章 乳液机械附聚法制备纳米填料橡胶复合材料的研究  30-45
  2.1 概述  30-31
  2.2 实验部分  31-34
    2.2.1 主要原料  31
    2.2.2 实验设备与仪器  31-32
    2.2.3 试样制备  32-33
      2.2.3.1 酪素溶液的配制  32
      2.2.3.2 扩散剂NF 溶液的配制  32
      2.2.3.3 拉开粉溶液的配制  32
      2.2.3.4 填料分散体的制备  32-33
      2.2.3.5 混合乳液的制备  33
      2.2.3.6 混合乳液的固化  33
      2.2.3.7 混炼胶的制备  33
      2.2.3.8 硫化胶试样的制备  33
    2.2.4 性能测试  33-34
  2.3 结果与讨论  34-45
    2.3.1 纳米填料分散体的制备及表征  34-38
      2.3.1.1 分散机处理时间对分散体粒径的影响  34-36
      2.3.1.2 分散机转速对分散体粒径的影响  36-38
    2.3.2 机械附聚效果的表征  38-41
    2.3.3 母胶的动态模量和损耗因子  41-43
      2.3.3.1 炭黑母胶的动态模量及损耗因子  41-42
      2.3.3.2 纳米碳酸钙母胶的动态模量及损耗因子  42
      2.3.3.3 白炭黑母胶的动态模量及损耗因子  42-43
    2.3.4 混炼胶及硫化胶的物理机械性能  43-44
    2.3.5 本章结论  44-45
第三章 超声波法制备纳米填料橡胶复合材料的研究  45-55
  3.1 概述  45
  3.2 实验部分  45-47
    3.2.1 主要原料  45-46
    3.2.2 实验设备与仪器  46
    3.2.3 试样制备  46-47
      3.2.3.1 酪素溶液的制备  46
      3.2.3.2 填料分散体的制备  46
      3.2.3.3 混合乳液的制备  46
      3.2.3.4 混合乳液的固化  46-47
      3.2.3.5 混炼胶的制备  47
      3.2.3.6 硫化胶试样的制备  47
    3.2.4 性能测试  47
  3.3 结果与讨论  47-55
    3.3.1 分散体的表征  47-49
      3.3.1.1 炭黑分散体的粒径  47-49
      3.3.1.2 碳酸钙分散体的粒径  49
    3.3.2 混合乳液的表征  49-52
      3.3.2.1 天然胶乳的粒径及分布  49-50
      3.3.2.2 炭黑/天然胶乳混合乳液的表征  50-51
      3.3.2.3 纳米碳酸钙/天然胶乳混合乳液的表征  51-52
    3.3.3 纳米填料/天然橡胶母胶的性能  52-54
      3.3.3.1 混炼胶的硫化特性  52-53
      3.3.3.2 硫化胶的力学性能  53-54
    3.3.4 本章结论  54-55
第四章 乳液压力附聚法制备纳米填料橡胶复合材料的研究  55-81
  4.1 概述  55
  4.2 实验部分  55-58
    4.2.1 主要原料  55-56
    4.2.2 实验设备与仪器  56
    4.2.3 试样制备  56-58
      4.2.3.1 酪素溶液的制备  56
      4.2.3.2 50% CaCl_2 溶液的配制  56
      4.2.3.3 填料分散体的制备  56-57
      4.2.3.4 混合乳液的制备  57
      4.2.3.5 胶膜的制备  57
      4.2.3.6 混合乳液的固化  57
      4.2.3.7 混炼胶的制备  57-58
      4.2.3.8 硫化胶试样的制备  58
    4.2.4 性能测试  58
  4.3 结果与讨论  58-81
    4.3.1 炭黑/天然橡胶母胶的研究  58-67
      4.3.1.1 炭黑分散体的表征  58-59
      4.3.1.2 高压处理前后混合乳液中粒子的微观形态  59-61
      4.3.1.3 炭黑/天然胶乳混合乳液胶膜的力学性能  61-62
      4.3.1.4 天然橡胶/炭黑母胶的性能  62-67
        4.3.1.4.1 母胶的门尼粘度  62-63
        4.3.1.4.2 母胶的热分解温度  63-65
        4.3.1.4.3 母胶的动态弹性模量和损耗因子  65-66
        4.3.1.4.4 混炼胶的硫化特性及硫化胶的物理机械性能  66-67
      4.3.1.5 小结  67
    4.3.2 纳米碳酸钙/天然橡胶母胶的研究  67-74
      4.3.2.1 纳米碳酸钙分散体的表征  67-68
      4.3.2.2 高压处理前后混合乳液中粒子的微观形态  68-69
      4.3.2.3 纳米碳酸钙/天然胶乳混合乳液胶膜的力学性能  69-71
      4.3.2.4 天然橡胶/纳米碳酸钙母胶的性能  71-74
        4.3.2.4.1 母胶的门尼粘度  71-72
        4.3.2.4.2 母胶的动态弹性模量和损耗因子  72-73
        4.3.2.4.3 混炼胶的硫化特性及硫化胶的物理机械性能  73-74
      4.3.2.5 小结  74
    4.3.3 白炭黑/天然橡胶母胶的研究  74-81
      4.3.3.1 白炭黑分散体的表征  74-75
      4.3.3.2 高压处理前后混合乳液中粒子的微观形态  75
      4.3.3.3 白炭黑/天然胶乳混合乳液胶膜的力学性能  75-77
      4.3.3.4 天然橡胶/白炭黑母胶的性能  77-80
        4.3.3.4.1 母胶的门尼粘度  77-78
        4.3.3.4.2 母胶的热分解温度  78-79
        4.3.3.4.3 复合材料弹性模量与应变的关系  79
        4.3.3.4.4 混炼胶的硫化特性及硫化胶的物理机械性能  79-80
      4.3.3.5 小结  80-81
结论  81-82
参考文献  82-88
致谢  88-89
攻读学位期间发表的学术论文  89-90

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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