节能橡胶及有机覆层SiO_2粉体的设计制备及结构—性能研究

【摘要】：近年来,随着国家节能减排战略的提出及汽车工业向安全、舒适、节能化方向的发展,对轮胎的要求也逐年提高,在具有优异耐磨性的同时也必须具有高抗湿滑性能及低滚动阻力特性,但这三项性能难以同时改善,必须从分子结构设计角度出发制备节能橡胶。此外,在轮胎工业中,白炭黑以其高补强、低生热的特点而逐渐受到关注,但其具有的易团聚、与橡胶基体相亲性差等缺点。因此,从分子结构设计和纳米填料增强两个途径提高填料在基体中分散性,增强填料与基体的亲和性进而实现节能降耗的目标是本论文的研究方向。 论文的第一部分,从分子设计的角度出发,研究了端基改性SSBR的制备、结构表征与性能,通过阴离子聚合在活性链末端引入可以与白炭黑或炭黑反应或相亲的基团。其一,以多官能度有机锂为引发剂,采用阴离子聚合法制备了星形溶聚丁苯橡胶(S-SSBR),在聚合反应末期加入γ-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTMO)进行封端反应,得到分子链端带有烷氧基的星形溶聚丁苯橡胶(AS-SSBR).通过核磁谱图对其进行表征并计算了封端率。AS-SSBR经白炭黑-炭黑补强后,高分辨率透射电镜(HRTEM)和X射线能谱仪观察结果显示填料在基胶中的分散性明显改善,胶料的物理机械性能提高,且在保持高抗湿滑性的同时生热和滞后损失显著降低,其综合性能优异,AS-SSBR是一种显著节能的弹性体材料。其二,以正丁基锂与1,1-二苯基乙烯加成制得的1,1-二苯基己基锂(DPHL)为引发剂,采用阴离子聚合法合成出了线性SSBR,再通过SnCl4偶联得到分子链末端带大体积基团的偶联型聚合物。分子链末端引入与炭黑具有良好相亲性的苯环基团,大大增强了炭黑-基体的相互作用,改善了炭黑的分散性。由于SnCl4的偶联作用及大体积基团对分子链自由末端的钝化作用,复合材料松弛时间延长,滞后损失明显降低,可以实现高抗湿滑性和低滚动阻力的平衡,也可作为一种新型的节能胎面用胶。 论文的第二部分,研究了偶联剂用量对白炭黑-炭黑填充星形SSBR物机性能、动态力学性能的影响,观察了纳米填料在胶料中的分散状态,并与白炭黑-炭黑填充链端烷氧基星形SSBR进行比较,以揭示白炭黑粒子键接于星形SSBR分子链任意位置和末端对胶料结构与性能的影响。研究发现随着偶联剂用量(硅氧烷基团物质的量)的增加,星形SSBR复合材料和端烷氧基星形SSBR的定伸应力、强度均升高,两种复合材料的扯断伸长率、压缩疲劳温升均显著降低。当复合材料中硅氧烷基团的物质的量相同时,白炭黑和炭黑填充链端烷氧基星形SSBR复合材料定伸应力和0℃tanδ值的增幅、压缩疲劳温升和60℃tanδ值的降幅较大,纳米填料的分散性、分布均匀性也明显优于星形SSBR复合材料。白炭黑键接在橡胶分子链的末端会使其复合材料具有更优异的纳米填料分散性、高抗湿滑性能和低滚动阻力特性。 论文的第三部分,研究了有机化Si02粒子表面接枝聚异戊二烯复合粒子的制备、表征及其填充天然橡胶(NR)的性能。首先用硅烷偶联剂KH570对其表面有机化,在粒子表面引入可以发生聚合反应的C=C,采用氧化-还原引发体系于界面引发,以自由基乳液聚合的方法制备有机化SiO2粒子-聚异戊二烯复合粒子,通过红外光谱、透射电镜及热失重对其进行表征。将复合粒子填充于天然橡胶当中,对其物理机械性能、动态力学性能及微观结构进行研究,研究结果显示,复合粒子填充NR复合材料具有优异的物理机械性能及填料分散性。 【关键词】：星形溶聚丁苯橡胶 端基官能化 白炭黑 纳米复合材料
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ330.1
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 绪论18-38
• 1.1 课题来源18
• 1.2 课题背景18-19
• 1.2.1 绿色轮胎18
• 1.2.2 魔鬼三角18
• 1.2.3 生产绿色轮胎的途径18-19
• 1.3 轮胎胎面胶料的研究进展19-29
• 1.3.1 天然橡胶(NR)19
• 1.3.2 顺丁橡胶(BR)19-20
• 1.3.3 丁苯橡胶(SBR)20-28
• 1.3.4 多元共混胶料28-29
• 1.3.5 聚氨酯弹性体29
• 1.4 轮胎填料的研究进展29-34
• 1.4.1 炭黑的研究进展29-31
• 1.4.2 白炭黑的研究进展31-34
• 1.5 论文选题的立论、目的和意义34-35
• 1.6 本课题的主要研究内容35
• 1.7 创新点35-38
• 第二章 实验部分38-52
• 2.1 实验原材料及配方38-43
• 2.1.1 原材料及化学试剂38-40
• 2.1.2 基本配方表40-43
• 2.2 实验设备及测试仪器43-44
• 2.3 实验工艺过程44-46
• 2.3.1 SSBR干胶的制备44
• 2.3.2 链端烷氧基星形SSBR胶液的制备44
• 2.3.3 白炭黑/链端烷氧基星形SSBR反应机械共混制备44
• 2.3.4 白炭黑/链端烷氧基星形SSBR共凝聚胶的制备44
• 2.3.5 白炭黑-炭黑/链端烷氧基星形SSBR复合材料的制备44-45
• 2.3.6 炭黑填充链端带大体积基团偶联型SSBR复合材料的制备45
• 2.3.7 白炭黑-炭黑掺杂填充橡胶复合材料的制备45
• 2.3.8 有机化SiO_2粒子-聚异戊二烯复合粒子的制备45-46
• 2.3.9 有机化SiO_2粒子-聚异戊二烯复合粒子填充NR复合材料的制备46
• 2.4 实验测试方法46-52
• 2.4.1 白炭黑与橡胶共混动态跟踪46
• 2.4.2 结构表征46-47
• 2.4.3 混炼胶的性能测试47-48
• 2.4.4 硫化胶的性能测试48-52
• 第三章 端基官能化SSBR胶料的设计制备、结构与性能52-92
• 3.1 链端烷氧基星形SSBR胶料的制备、结构与性能研究52-72
• 3.1.1 链端烷氧基星形SSBR的制备52-53
• 3.1.2 链端烷氧基星形SSBR的分子结构参数53-54
• 3.1.3 链端烷氧基星形SSBR的化学结构表征及封端效率计算54-56
• 3.1.4 反应共混法制备链端烷氧基星形SSBR复合材料的结构与性能56-64
• 3.1.5 共凝聚法制备链端烷氧基星形SSBR复合材料的结构与性能64-72
• 3.2 链端带大体积基团偶联型SSBR胶料的制备、结构与性能研究72-92
• 3.2.1 DPHL引发剂的制备72-73
• 3.2.2 链端带大体积基团偶联型SSBR的制备73
• 3.2.3 链端结构对偶联型SSBR性能的影响73-77
• 3.2.4 单臂分子量对链端含大体积基团偶联型SSBR性能的影响77-81
• 3.2.5 偶联效率对链端含大体积基团偶联型SSBR性能的影响81-85
• 3.2.6 链端结构和单臂分子量综合作用对偶联型SSBR性能的影响85-92
• 第四章 白炭黑与SSBR键接位置对复合材料性能的影响92-102
• 4.1 所用胶种分子结构参数及制样制备92-93
• 4.1.1 分子结构参数92-93
• 4.1.2 试样制备93
• 4.2 物理机械性能93-95
• 4.3 动态力学性能95-99
• 4.3.1 温度扫描95-96
• 4.3.2 应变扫描96-99
• 4.4 微观相态结构99-102
• 第五章 白炭黑粒子-聚异戊二烯填充NR复合材料性能研究102-116
• 5.1 SiO_2粒子的有机化及表征102-104
• 5.1.1 有机化SiO_2粒子的红外表征102-103
• 5.1.2 有机化SiO_2粒子的热失重表征103-104
• 5.1.3 有机化程度对溶解度的影响104
• 5.2 有机化SiO_2粒子-聚异戊二烯复合粒子的制备及表征104-110
• 5.2.1 有机化SiO_2粒子-聚异戊二烯复合粒子的制备104-105
• 5.2.2 有机化SiO_2粒子-聚异戊二烯复合粒子的表征105-110
• 5.3 有机化SiO_2-聚异戊二烯复合粒子填充NR复合材料的性能研究110-116
• 5.3.1 复合粒子后处理方式对胶料物理机械性能的影响110-111
• 5.3.2 物理机械性能111-112
• 5.3.3 动态力学性能112-113
• 5.3.4 微观结构113-116
• 第六章 结论116-118
• 参考文献118-124
• 致谢124-126
• 研究成果及发表的学术论文目录126-128
• 作者和导师简介128-131
• 附件131-132

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