江苏盱眙具有丰富的凹凸棒石蕴藏量，被誉为“凹土之乡”。凹凸棒石晶体多为针状纤维，单晶直径大多为10～100nm，长度为0.1～1μm，属于天然的一维纳米材料。本论文通过对江苏盱眙提纯凹凸棒石超声分散和表面改性处理，代替价格昂贵的炭黑添加于橡胶中，改善橡胶产品的性能，降低橡胶产品的生产成本，并对复合材料的界面进行初步的分析研究，为凹凸棒石的深加工及其在橡胶领域的应用提供基础数据和理论依据，并提高凹凸棒石的经济附加值。
1.利用硅烷或有机铵盐分别对凹凸棒石提纯样品实施了改性试验研究。通过直接评价法结合间接评价法，考察了改性剂用量、改性时间、改性pH值以及改性温度等对凹凸棒石有机化改性效果的影响。试验数据表明：选用铵盐作为改性剂时，当改性温度为70℃，改性时间为30min，铵盐改性剂用量为20％，凹凸棒石填充量为30phr时，所制备复合材料的综合力学性能最优。选用硅烷作为改性剂时，当改性矿浆pH值为2，改性温度为80℃，改性时间为40min，硅烷改性剂用量为1.5％，凹凸棒石填充量为10phr时，所制备复合材料的力学性能最优。
2.在最优改性条件下，采用乳液共混共凝法分别制备出了提纯改性凹凸棒石/天然橡胶复合材料，并与未改性凹凸棒石/天然橡胶复合材料、未改性未提纯凹凸棒石/天然橡胶复合材料、炭黑/天然橡胶复合材料进行对比。结果表明：与纯天然硫化胶力学性能相比，提纯铵盐改性凹凸棒石复合材料的邵尔A型硬度、扯断强度、撕裂强度和300％定伸强度分别提高了91.4％、54.44％、65.37％及504.6％；提纯硅烷改性凹凸棒石复合材料的邵尔A型硬度、撕裂强度和300％定伸强度分别提高了26.57％、24.1％、227.2％。与硅烷改性凹凸棒石复合材料相比，提纯或未提纯铵盐改性凹凸棒石复合材料的邵尔A型硬度、扯断强度、撕裂强度及300％定伸强度均更优，在提纯条件下，分别有51.24％、71.06％、33.28％及84.76％提高，伸长率则相当，提高约9.5％。在最佳改性条件下，无论提纯还是未提纯，在30phr相同填充份数下，铵盐改性凹凸棒石对天然橡胶的补强性能都要比炭黑要优。本次实验还研究对比了乳液共混共凝法与机械共混法制备的天然橡胶复合材料的力学性能。结果表明：在同样填充份数下，采用乳液共混共凝制备复合材料力学性能整体要比机械共混法制备复合材料力学性能要优越。
3.分别建立了铵盐改性凹凸棒石体系、硅烷改性凹凸棒石体系、铵改凹凸棒石/天然橡胶复合材料体系、硅改凹凸棒石/天然橡胶复合材料体系及未改性凹凸棒石/天然橡胶复合材料体系的分子模型，采用分子动力学计算出了不同体系的结合能，结果表明：硅烷改性凹凸棒石体系的结合能4.4471 kcal/mol远小于铵盐体系的25.4083kcal/mol，说明铵盐体系界面作用更强；在复合材料体系中，铵改凹凸棒石/天然橡胶复合材料体系结合能最大为136.5368 kcal/mol，远远大于硅改凹凸棒石厌然橡胶复合材料体系(37.0532 kcal/mol)及未改性凹凸棒石/天然橡胶复合材料体系(27.7376 kcal/mol)，说明改性剂能使凹凸棒石与天然橡胶分子之间的界面相互作用增强，且铵盐比硅烷改性制备复合材料能形成更好的界面作用。
4.SEM与FSEM分析表明，采用乳液共混共凝法制备的改性凹凸棒石厌然橡胶复合材料中，凹凸棒石在基体中均匀分散，达到纳米级分散；改性凹凸棒石与橡胶基体结合良好，形成了良好的界面。在铵盐改性凹凸棒石厌然橡胶复合材料横断面SEM图中，约90％的凹凸棒石棒晶在100nm以下，复合材料为纳米复合材料；采用硅烷改性凹凸棒石/天然橡胶复合材料横断面SEM图中，96％以上凹凸棒石棒晶在100nm以下，少于10％在100nm之上，复合材料也为纳米复合材料；同时，SEM图表明采用机械共混法制备的硅烷改性凹凸棒石和炭黑复合材料均为亚微米复合材料

    关键词：
    改性凹凸棒石 橡胶纳米复合材料 橡胶复合材料 材料体系 提纯 铵盐 硅烷 改性剂 乳液共混 材料的力学性能 撕裂强度 机械共混 改性温度 定伸强度 材料力学性能 纯凹凸棒石 结合能 橡胶产品 填充 炭黑
    作者：
    李铁
    学位授予单位：
    中国地质大学(武汉)
    授予学位：
    硕士
    学科专业：
    材料科学与工程
    导师姓名：
    杨眉
    学位年度：
    2010
    语种：
    中文
    分类号：
    TB332 TB383