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江蘇盱眙具有豐富的凹凸棒石蘊(yùn)藏量，被譽(yù)為“凹土之鄉(xiāng)”。凹凸棒石晶體多為針狀纖維，單晶直徑大多為10～100nm，長(zhǎng)度為0.1～1μm，屬于天然的一維納米材料。本論文通過(guò)對(duì)江蘇盱眙提純凹凸棒石超聲分散和表面改性處理，代替價(jià)格昂貴的炭黑添加于橡膠中，改善橡膠產(chǎn)品的性能，降低橡膠產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，并對(duì)復(fù)合材料的界面進(jìn)行初步的分析研究，為凹凸棒石的深加工及其在橡膠領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，并提高凹凸棒石的經(jīng)濟(jì)附加值。
1.利用硅烷或有機(jī)銨鹽分別對(duì)凹凸棒石提純樣品實(shí)施了改性試驗(yàn)研究。通過(guò)直接評(píng)價(jià)法結(jié)合間接評(píng)價(jià)法，考察了改性劑用量、改性時(shí)間、改性pH值以及改性溫度等對(duì)凹凸棒石有機(jī)化改性效果的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：選用銨鹽作為改性劑時(shí)，當(dāng)改性溫度為70℃，改性時(shí)間為30min，銨鹽改性劑用量為20％，凹凸棒石填充量為30phr時(shí)，所制備復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。選用硅烷作為改性劑時(shí)，當(dāng)改性礦漿pH值為2，改性溫度為80℃，改性時(shí)間為40min，硅烷改性劑用量為1.5％，凹凸棒石填充量為10phr時(shí)，所制備復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)。
2.在最優(yōu)改性條件下，采用乳液共混共凝法分別制備出了提純改性凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料，并與未改性凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料、未改性未提純凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料、炭黑/天然橡膠復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：與純天然硫化膠力學(xué)性能相比，提純銨鹽改性凹凸棒石復(fù)合材料的邵爾A型硬度、扯斷強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和300％定伸強(qiáng)度分別提高了91.4％、54.44％、65.37％及504.6％；提純硅烷改性凹凸棒石復(fù)合材料的邵爾A型硬度、撕裂強(qiáng)度和300％定伸強(qiáng)度分別提高了26.57％、24.1％、227.2％。與硅烷改性凹凸棒石復(fù)合材料相比，提純或未提純銨鹽改性凹凸棒石復(fù)合材料的邵爾A型硬度、扯斷強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度及300％定伸強(qiáng)度均更優(yōu)，在提純條件下，分別有51.24％、71.06％、33.28％及84.76％提高，伸長(zhǎng)率則相當(dāng)，提高約9.5％。在最佳改性條件下，無(wú)論提純還是未提純，在30phr相同填充份數(shù)下，銨鹽改性凹凸棒石對(duì)天然橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能都要比炭黑要優(yōu)。本次實(shí)驗(yàn)還研究對(duì)比了乳液共混共凝法與機(jī)械共混法制備的天然橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明：在同樣填充份數(shù)下，采用乳液共混共凝制備復(fù)合材料力學(xué)性能整體要比機(jī)械共混法制備復(fù)合材料力學(xué)性能要優(yōu)越。
3.分別建立了銨鹽改性凹凸棒石體系、硅烷改性凹凸棒石體系、銨改凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料體系、硅改凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料體系及未改性凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料體系的分子模型，采用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算出了不同體系的結(jié)合能，結(jié)果表明：硅烷改性凹凸棒石體系的結(jié)合能4.4471 kcal/mol遠(yuǎn)小于銨鹽體系的25.4083kcal/mol，說(shuō)明銨鹽體系界面作用更強(qiáng)；在復(fù)合材料體系中，銨改凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料體系結(jié)合能最大為136.5368 kcal/mol，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅改凹凸棒石厭然橡膠復(fù)合材料體系(37.0532 kcal/mol)及未改性凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料體系(27.7376 kcal/mol)，說(shuō)明改性劑能使凹凸棒石與天然橡膠分子之間的界面相互作用增強(qiáng)，且銨鹽比硅烷改性制備復(fù)合材料能形成更好的界面作用。
4.SEM與FSEM分析表明，采用乳液共混共凝法制備的改性凹凸棒石厭然橡膠復(fù)合材料中，凹凸棒石在基體中均勻分散，達(dá)到納米級(jí)分散；改性凹凸棒石與橡膠基體結(jié)合良好，形成了良好的界面。在銨鹽改性凹凸棒石厭然橡膠復(fù)合材料橫斷面SEM圖中，約90％的凹凸棒石棒晶在100nm以下，復(fù)合材料為納米復(fù)合材料；采用硅烷改性凹凸棒石/天然橡膠復(fù)合材料橫斷面SEM圖中，96％以上凹凸棒石棒晶在100nm以下，少于10％在100nm之上，復(fù)合材料也為納米復(fù)合材料；同時(shí)，SEM圖表明采用機(jī)械共混法制備的硅烷改性凹凸棒石和炭黑復(fù)合材料均為亞微米復(fù)合材料

    關(guān)鍵詞：
    改性凹凸棒石 橡膠納米復(fù)合材料 橡膠復(fù)合材料 材料體系 提純 銨鹽 硅烷 改性劑 乳液共混 材料的力學(xué)性能 撕裂強(qiáng)度 機(jī)械共混 改性溫度 定伸強(qiáng)度 材料力學(xué)性能 純凹凸棒石 結(jié)合能 橡膠產(chǎn)品 填充 炭黑
    作者：
    李鐵
    學(xué)位授予單位：
    中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)
    授予學(xué)位：
    碩士
    學(xué)科專業(yè)：
    材料科學(xué)與工程
    導(dǎo)師姓名：
    楊眉
    學(xué)位年度：
    2010
    語(yǔ)種：
    中文
    分類號(hào)：
    TB332 TB383