有机黏土纳米增强弹性体复合材料

第一篇基础篇

第1章层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料的研究进展2

1.1层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料的研究进展2

1.1.1聚合物增强技术的研究进展2

1.1.2层状硅酸盐的结构、性质、有机化及应用3

1.1.3层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料的制备方法7

1.1.3.1原位插层聚合法7

1.1.3.2熔体插层法8

1.1.3.3溶液插层法9

1.1.3.4乳液法10

1.1.4层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料插层理论分析11

1.1.5层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料的结构12

1.1.6层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料的性能15

1.1.6.1气体阻隔性16

1.1.6.2力学性能19

1.1.6.3热稳定性及阻燃性能21

1.1.6.4导电性22

1.1.6.5生物降解性22

1.1.6.6光-电性能23

1.2橡胶气体阻隔性能的研究进展24

1.2.1简介24

1.2.2（卤化）丁基橡胶25

1.2.3现有内胎使用胶料结构与性能比较26

1.3聚合物基复合材料的气体渗透性能与机理研究进展27

1.3.1气体在聚合物中的溶解机理27

1.3.1.1温度和压力的影响27

1.3.1.2玻璃化转变温度的影响28

1.3.1.3结晶和填料的影响29

1.3.1.4研究方法及模型29

1.3.2气体在聚合物中的扩散机理30

1.3.2.1聚合物结构的影响31

1.3.2.2温度的影响31

1.3.2.3结晶和填料的影响32

1.3.2.4研究方法及模型32

1.4加工过程对微观相态结构的影响33

1.4.1热塑性基体33

1.4.2热固性基体35

1.4.2.1热固性塑料35

1.4.2.2橡胶35

第二篇应用篇

第2章IIR/有机黏土纳米复合材料的制备、结构与性能40

2.1溶液插层法制备有机黏土/IIR纳米复合材料的结构40

2.2熔体插层法制备有机黏土/IIR纳米复合材料的结构43

2.3有机黏土/丁基橡胶纳米复合材料的力学性能45

2.4有机黏土/丁基橡胶纳米复合材料的气体阻隔性能47

2.4.1填料形状对IIR纳米复

3.2有机黏土/BIIR纳米复合材料的结构55

3.3有机黏土/卤化丁基橡胶纳米复合材料的性能58

3.3.1有机黏土/氯化、溴化丁基橡胶纳米复合材料的力学性能58

3.3.2有机黏土/氯化、溴化丁基橡胶纳米复合材料的Payne效应62

3.3.3有机黏土/氯化、溴化丁基橡胶纳米复合材料的气体阻隔性能66

第4章预膨胀有机黏土与机械共混法制备IIRCN68

4.1预膨胀有机黏土与机械共混法制备IIRCN的微观相态结构68

4.2预膨胀有机黏土与机械共混法制备IIRCN的力学性能74

4.2.1采用不同方法制备IIRCN的力学性能74

4.2.2IIR/不同有机溶剂预膨胀有机黏土纳米复合材料的力学性能75

4.2.3黏土变量对采用预膨胀有机土与机械共混法制备的IIRCN力学性能的影响75

4.3预膨胀有机黏土与机械共混法制备IIRCN的气体阻隔性能76

4.3.1不同方法制备的IIRCN的气密性能76

4.3.2黏土变量对采用预膨胀有机黏土与机械共混法制备的IIR/有机黏土纳米复合材料气体阻隔性能的影响77

第5章丁基橡胶/不同碳链长度表面改性剂改性的黏土纳米复合材料的结构与性能79

5.1填料的表面改性方法以及黏土片层晶层间距的影响因素79

5.1.1改性方法79

5.1.1.1用表面改性剂处理无机黏土79

5.1.1.2用偶联剂处理黏土80

5.1.2黏土片晶层间距的影响因素81

5.1.2.1阳离子交换容量对层间距的影响81

5.1.2.2碳链长度对晶层间距的影响81

5.2采用熔体插层法制备丁基橡胶/不同碳链长度的表面改性剂改性黏土纳米复合材料82

5.2.1不同碳链长度表面改性剂改性黏土的结构式83

5.2.2不同碳链长度表面改性剂改性黏土的XRD分析83

5.2.3不同碳链长度表面改性剂改性黏土制备的IIRCN的结构表征84

5.2.4不同碳链长度表面改性剂改性黏土制备的IIRCN的力学性能87

5.2.5不同碳链长度表面改性剂改性黏土制备的IIRCN的气密性能89

第三篇理论篇

第6章硫化前后橡胶/黏土纳米复合材料微观结构的变化92

6.1不同方法制备的IIR/有机黏土复合体系硫化前后微观结构的变化93

6.1.1溶液插层法93

6.1.2熔体插层法94

6.1.3预膨胀有机黏土与机械共混法95

6.2熔体插层法制备橡胶/有机黏土纳米复合材料98

6.2.1非极性橡胶基体/有机黏土复合体系硫化前后微观相态结构的变化98

6.2.2极性橡胶基体/有机黏土复合体系硫化前后微观相态结构的变化100

6.2.2.1BIIR/有机黏土复合体系100

6.2.2.2NBR/有机黏土复合体系101

6.3时间效应102

7.2.1IIR/有机黏土混合物的微观结构表征119

7.2.2热处理工艺对IIR/有机黏土混合物微观相态结构的影响120

7.2.2.1热处理温度的影响120

7.2.2.2微观相态结构转化机理124

7.2.2.3热处理时间的影响128

7.2.2.4压力的影响129

7.2.2.5化学交联反应的影响131

第8章橡胶/有机黏土纳米复合材料微观相态结构的改善133

8.1常压（大气压）硫化134

8.2低压硫化135

8.2.1压力大小对微观相态结构的影响135

8.2.2低压硫化IIR/有机黏土纳米复合材料的微观相态结构136

8.2.3低压硫化制备的IIR/有机黏土纳米复合材料的力学性能137

8.2.4低压硫化制备的IIR/有机黏土纳米复合材料的气体阻隔性能138

8.3高温硫化139

8.4超促进剂快速硫化139

第9章橡胶/黏土纳米复合材料在高压热处理过程中的微观结构变化141

第10章橡胶基体极性对RCNs微观相态结构的影响147

10.1极性大小不同的NBR/有机黏土纳米复合材料的微观相态结构147

10.1.1极性大小不同的NBR/有机黏土复合体系的WAXD分析147

10.1.2极性大小不同的NBR/有机黏土复合体系的TEM分析149

10.2极性大小不同的NBR/有机黏土纳米复合材料的力学性能152

10.3极性大小不同的NBR/有机黏土纳米复合材料的Payne效应153

10.4极性大小不同的NBR/有机黏土纳米复合材料的气体阻隔性能155

第11章橡胶分子结构对RCNs的微观结构与性能的影响157

11.1不同分子结构橡胶基体对应的RCNs微观结构157

11.1.1非极性橡胶IIR、SBR复合体系的微观结构分析157

11.1.2极性橡胶NBR复合体系的微观结构分析160

11.2不同分子结构橡胶基体对应的RCNs力学性能161

11.3不同分子结构橡胶基体对应RCNs的RPA测试162

11.4不同分子结构橡胶基体对应RCNs的气体阻隔性能164

参考文献167

本书要向读者介绍的是目前在聚合物材料领域中，无论是基础研究或工业开发都十分活跃的聚合物/层状硅酸盐（Polymer/LayeredSilicate，PLS）纳米复合材料。

本书的结构分为三大部分，第一部分为基础篇，主要对层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料的研究进展，以及层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料的结构与性能、橡胶气体阻隔性能的研究进展等进行系统和深入的介绍。第二部分为应用篇，主要就一些聚合物/黏土纳米复合材料的制备合成、性能研究以及实际应用进行了详尽的介绍。包括IIR/黏土纳米复合材料、BIIR(CIIR)/黏土纳米复合材料等。第三部分为理论篇，主要就插层理论模型的建立等问题展开了大量的讨论。重点研究讨论了热处理工艺、橡胶基体的极性对橡胶基/黏土纳米复合材料微观相态结构的影响，提出高压是促使黏土片层发生远程聚集的推动力。通过控制成型工艺参数以及提高橡胶基体的极性等，最终能够获得分散相态理想、性能优异的橡胶/黏土纳米复合材料。

纳米复合材料基本信息

书 名:纳米复合材料

作　者：马晓燕，梁国正，鹿海军

出版社： 科学出版社

出版时间： 2009-7-1

纳米复合材料内容简介

本书系统论述了近几年来聚合物/天然硅酸盐黏土纳米复合材料研究领域的主要研究成果，内容包括天然硅酸盐蒙脱土、累托石等的结构与性能，黏土的有机改性，聚合物基黏土纳米复合材料的制备、结构与性能，黏土在聚合物中解离的热力学、动力学问题，黏土对热固性树脂固化反应动力学的影响，黏土对聚合物熔体流变性、结晶性、力学性能、热机械性能等的影响，论述并建立了黏土纳米复合材料微观力学模型。书中的大部分内容为作者课题组近几年来的研究成果，另外还包括国际、国内相关学者的最新研究成果。

本书可供高分子科学与工程及相关领域的研究者阅读，也可作为高等院校材料学及高分子化学与物理等相关专业师生的参考用书。

纳米复合材料图书目录

前言

第1章　硅酸盐黏土矿物的晶体结构及性能

1.1　离子化固体结构

1.1.1　最紧密堆积与原子间空隙

1.1.2　离子晶体结构

1.2　层状硅酸盐晶体结构与矿物类型

1.2.1　黏土矿物层型

1.2.2　黏土矿物的分类

1.3　层状硅酸盐表面官能团及Lewis酸碱性

1.4　层状硅酸盐带电表面

1.5　硅酸盐胶粒的双电层及电动电位

1.5.1　双电层的形成及电荷分布

1.5.2　电势及其计算

1.6　聚合物改性用纳米硅酸盐黏土

1.6.1　蒙脱土

1.6.2　累托石

1.6.3　海泡石

参考文献

第2章　聚合物基黏土纳米复合材料的制备

2.1　黏土的有机改性

2.1.1　有机改性剂的选择原则

2.1.2　几种有机黏土的结构与性能

2.1.3　有机黏土的分散性

2.2　黏土在聚合物中的插层与解离

2.2.1　黏土插层/解离的热力学基础

2.2.2　黏土插层/解离的动力学条件

2.3　黏土/聚合物纳米复合材料的制备

2.3.1　原位插层聚合法制备黏土/聚合物纳米复合材料

2.3.2　溶液共混法制备黏土/聚合物纳米复合材料

2.3.3　熔融共混法制备黏土/聚合物纳米复合材料

参考文献

第3章　黏土/热塑性聚合物纳米复合材料的形貌

3.1　黏土在聚合物中解离的规律

3.1.1　有机蒙脱土在极性聚合物中的解离

3.1.2　有机蒙脱土在非极性聚合物中的解离

3.1.3　有机蒙脱土在共聚物中的解离

3.1.4　熔融共混工艺与黏土的解离状态

3.1.5　黏土在纳米复合材料中分散与解离状态的表征方法

3.2　黏土/聚合物纳米复合材料的结晶形貌

3.2.1　聚丙烯纳米复合材料的结晶形貌

3.2.2　有机蒙脱土对尼龙结晶性能的影响

3.3　黏土对共混体系形貌的影响

3.3.1　有机累托石在聚丙烯/聚烯烃弹性体体系的分散与解离

3.3.2　POE在复合材料中的分布

3.3.3　改性体系的结晶形貌

3.4　黏土纳米复合材料的界面相互作用

3.4.1　复合材料的界面相互作用

3.4.2　界面研究方法概述

3.4.3　反气相色谱法研究纳米复合材料界面相互作用

3.4.4　理论模拟方法研究纳米复合材料界面相互作用

参考文献

第4章　黏土/热塑性聚合物纳米复合材料的性能

4.1　概论

4.2　聚氨酯黏土纳米复合材料

4.2.1　有机累托石对聚氨酯熔融流变性能的影响

4.2.2　有机累托石对聚氨酯硬度的影响

4.2.3　复合材料的静态力学性能

4.2.4　力学性能与微观结构

4.2.5　复合材料的动态力学性能

4.2.6　复合材料的耐介质性能

4.2.7　复合材料的热性能

4.3　聚丙烯黏土纳米复合材料

4.3.1　黏土对聚丙烯等温结晶性能的影响

4.3.2　有机累托石对聚丙烯非等温结晶性能的影响

4.3.3　纳米复合材料的静态力学性能

4.3.4　纳米复合材料的动态力学性能

4.4　黏土/聚烯烃共混体系纳米复合材料

4.4.1　有机累托石改性聚丙烯/聚烯烃弹性体体系的性能

4.4.2　有机蒙脱土改性的热塑性聚烯烃

4.5　有机蒙脱土/尼龙纳米复合材料

4.6　有机蒙脱土/EVA纳米复合材料

4.6.1　EVA黏土纳米复合材料的机械性能

4.6.2　纳米复合材料的微观力学模型

参考文献

第5章　黏土复合凝胶聚合物电解质的结构与性能

第6章　黏土/热固性树脂纳米复合材料的形貌与性能

参考文献

PolyOne公司使用纳米黏土制成了复合材料，其韧性和硬度比传统的矿物填料复合材料高，而重量却比玻纤复合材料轻。纳米复合材料可用于生产汽车内饰件和外饰件、空气调节系统、成套设备以及一些工业零配件。在这些应用中，纳米复合材料完全不逊于玻纤增强塑料。GE塑料公司的HMD技术（高模量）采用非黏土纳米材料增强了复合材料的模量，同时降低了CTE系数（热膨胀系数）。这种材料重量较轻，可用于注射成型汽车部件。

在增强塑料中，碳纳米管（CNT）材料的应用逐渐多了起来。碳纳米管是一种导电石墨中空管，其尺寸比碳纤维小数千倍，能够使材料在较低的添加量下获得较高的增强性能。RTP公司的碳纳米管具有更均一的表面传导性能。经碳纳米管增强的复合材料可在低温条件下进行薄壁成型，从而减轻制品的重量。

长玻纤PP具有以下几个比较典型的优势：

一、纤维长度长（在制品中纤维长度可达3mm以上）分布均匀,可形成三维网络结构,综合力学性能强。

1）弯曲和拉伸强度均提高30-100%；

2）抗冲击性提高2-3倍（表现为冲击强度提高2-3倍）；

3）抗高温蠕变性优异,低温冲击强度高,适合使用于高低温交变频繁场合；

4）尺寸精准度高,纵横收缩率小且一致；

5）成型简单,可注塑或模压成型；

6）低翘曲,玻纤外露少,表面性能好

二、变形性小,有利于汽车零配件的设计与应用。

三、耐疲劳性能优良

四、流动性能小,模塑成型性能好

五、可循环回收重复使用,绿色环保

聚丙烯的成型加工性好，成型的方法很多，如注塑、吹塑、真空热成型、涂覆、旋转成型、熔接、机加工、电镀和发泡等，并可在金属表面喷涂。其中注塑成型的比 例大，注塑温度在180~200之间，注塑压力在68.6~137.2MPa，模具温度为40~60℃。预干燥温度在80℃左右。应避免PP长时间与金属 壁接触

聚丙烯的二次加工性很好，其印刷性比聚乙烯好，照相凸版，胶版、平凹板等印刷方法均可使用，要获得良好的良好的耐热、耐油、耐水等要求的印刷性能，须经电晕放电处理等再行印刷。

针对Cu基材料应用中高屈服强度高延展性的性能需求，本项目采用微米粒度的MAX相（Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC等）为先驱体制备具有高强度高延展性能的纳米MXx颗粒增强Cu基复合材料。通过对反应引起的MAX相变机理、界面反应行为、纳米MXx相的生成机制、组织形态等，MXx基团对Cu 的形核细化机理及材料流变特性、变形机理等关键科学问题的研究，获得了如下创新研究成果： 1）分别以较大的Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC颗粒为先驱体，成功制备了具有高强度高延展性能的纳米TiC0.67和TiC0.5颗粒增强Cu基复合材料； 2）揭示了Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti2SnC和Cu的不同反应行为，并阐述了反应引起的MAX材料的相变机理； 3）揭示了纳米TiC0.67和TiC0.5基团对Cu晶粒的形核细化机理和材料的流变特性及强化机理。 这些研究工作将对纳米MXx/超细晶Cu复合材料的应用和针对性的性能改善及其他高强高延展性金属及复合材料的制备提供借鉴和科学启发。部分研究进展和成果已发表论文15篇，申报发明专利8项，其中5项已获授权，培养博士生2名，硕士生7名，获2016年度北京市科技奖二等奖1项（公示已结束）。