官能化的生物基衣康酸酯橡膠和丁苯橡膠及其復(fù)合材料的設(shè)計與制備

官能化的生物基衣康酸酯橡膠和丁苯橡膠及其復(fù)合材料的設(shè)計與制備在日益嚴(yán)重的資源環(huán)境問題的背景下,開發(fā)能夠工程應(yīng)用的生物基橡膠是橡膠領(lǐng)域的重點發(fā)展方向之一。生物基衣康酸酯橡膠(BIR)是以生物基衣康酸酯為主要單體合成的生物基橡膠,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。為了制備高性能的BIR納米復(fù)合材料,基體與填料之間的界面作用是關(guān)鍵。本論文通過共聚改性的方法分別合成了吡啶及環(huán)氧官能化的BIR,并制備了其具有較強界面的綠色納米復(fù)合材料。在研究中發(fā)現(xiàn),環(huán)氧官能化的BIR與白炭黑之間較強的相互作用能夠有效地提高復(fù)合材料的動態(tài)性能及力學(xué)性能。因此,在論文的最后,采用類似的方法改性了最大的通用合成橡膠乳聚丁苯(ESBR),并對其白炭黑納米復(fù)合材料進(jìn)行了一系列研究。本論文通過共聚改性的方法將橡膠進(jìn)行官能化,以達(dá)到提高復(fù)合材料界面作用的目的,為制備高性能的橡膠納米復(fù)合材料提供了重要思路。本論文的第一部分,利用吡啶基團(tuán)對質(zhì)子的吸附性,采用4-乙烯基吡啶(4-VP)作為改性單體,設(shè)計合成了吡啶官能化的生物基橡膠聚(衣康酸二丁酯/異戊二烯/4-乙烯基吡啶)(PDBIIVP)。通過乳液復(fù)合法制備了蒙脫土(MMT)填充量相同而吡啶含量不同的MMT/PDBIIVP納米復(fù)合材料。其中,鹽酸不僅起到絮凝劑的作用,同時也作為質(zhì)子給體將吡啶基團(tuán)質(zhì)子化,則在共絮凝過程中,顯正電的PDBIIVP與顯負(fù)電的MMT之間形成了較強的離子鍵結(jié)合。隨著吡啶含量的增加,MMT/PDBIIVP納米復(fù)合材料的界面強度提高,MMT的分散改善,體系交聯(lián)密度增加,且MMT對于PDBIIVP的力學(xué)性能及氣密性能的增強效率顯著提高。對于含有7wt%的4-VP的PDBIIVP而言,10phr的MMT的填充將其拉伸強度提高了730%,而氣體滲透率降低了71%。本論文的第二部分,同樣利用鹽酸作為絮凝劑及質(zhì)子給體,通過乳液復(fù)合法制備了含有離子鍵界面的氧化石墨烯(GO)/PDBIIVP納米復(fù)合材料。吡啶含量的提高改善了GO的分散及其與PDBIIVP之間的相互作用,從而增加了GO/PDBIIVP納米復(fù)合材料的交聯(lián)密度,并提高了GO對于PDBIIVP的力學(xué)性能及氣密性能的增強效率。此外,還研究了GO的填充量對與GO/PDBIIVP納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及性能的影響。隨著GO填充量的增加,GO/PDBIIVP納米復(fù)合材料中的填料網(wǎng)絡(luò)逐漸增強,交聯(lián)密度、力學(xué)性能、磨耗性能及氣密性能不斷提高。對于含7.0wt%的4-VP的PDBIIVP而言,4phr的GO的填充將其拉伸強度提高了700%,而體積磨耗量及氣體滲透率分別降低了53%及63%。綠色的MMT/PDBIIVP及GO/PDBIIVP納米復(fù)合材料在橡膠密封材料方面有應(yīng)用潛力。本論文的第三部分,利用環(huán)氧基團(tuán)與羥基的反應(yīng)性,采用甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)作為改性單體,設(shè)計合成了環(huán)氧官能化的生物基橡膠聚(衣康酸二丁酯/異戊二烯/甲基丙烯酸縮水甘油酯)(PDBIIG),并制備了未加入硅烷偶聯(lián)劑的白炭黑/PDBIIG納米復(fù)合材料。在復(fù)合材料的制備過程中,白炭黑與PDBIIG之間發(fā)生開環(huán)反應(yīng),從而在白炭黑/PDBIIG界面處引入了共價鍵,復(fù)合材料的界面強度明顯提高,白炭黑的分散顯著改善。均勻的白炭黑的分散及較強的界面結(jié)合賦予了白炭黑/PDBIIG良好的耐磨性,并在定伸應(yīng)力、抗?jié)窕蕴岣叩耐瑫r降低了滾動阻力;制備了不同GMA含量的聚(衣康酸二丁酯/丁二烯/甲基丙烯酸縮水甘油酯)(PDBIBG)及其白炭黑納米復(fù)合材料。隨著環(huán)氧基體含量的增加,白炭黑/PDBIBG的結(jié)合膠含量提高,白炭黑的分散改善,復(fù)合材料的定伸應(yīng)力、抗?jié)窕燥@著提高而滾動阻力明顯降低。白炭黑/PDBIIG及白炭黑/PDBIBG納米復(fù)合材料的力學(xué)性能及動態(tài)性能已基本滿足工程應(yīng)用的需求,且有制造綠色輪胎的潛力。本論文的第四部分,采用GMA作為改性單體,合成了環(huán)氧官能化的ESBR(G-ESBR),并制備了未加入硅烷偶聯(lián)劑的白炭黑/G-ESBR納米復(fù)合材料。首先驗證了環(huán)氧基團(tuán)的引入對于白炭黑/G-ESBR納米復(fù)合材料中白炭黑的分散、界面結(jié)合、動態(tài)性能及力學(xué)性能的顯著作用。之后,分別研究了苯乙烯、丁二烯及GMA的含量對白炭黑/G-ESBR納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能的影響。隨著苯乙烯含量的增加,白炭黑/G-ESBR納米復(fù)合材料的Tg提高,抗?jié)窕约皾L動阻力都有提高;隨著GMA含量的增加,白炭黑的分散改善,界面作用增強,從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能及動態(tài)性能顯著提高。擁有較強界面的白炭黑/G-ESBR納米復(fù)合材料的力學(xué)性能及動態(tài)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的含有硅烷偶聯(lián)劑Si6