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本科毕业论文-不同发泡剂对橡胶发泡行为及力学性能的研究.doc

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本科毕业论文-不同发泡剂对橡胶发泡行为及力学性能的研究.doc

学科代码080502学号082301010064贵州师范大学(本科)毕业论文题目不同发泡剂对橡胶发泡行为及力学性能的研究学院材料与建筑工程学院专业金属材料工程年级2008级姓名指导教师副教授完成时间2012年5月05日I目录摘要1ABSTRACT1第一章文献综述211发泡材料的概述及国内外的研究状况2111发泡材料的概述2112国内外对发泡材料的研究状况412选题的理论、实际意义513研究思路、方法、技术路线6131研究思路6132研究方法6133技术路线7第二章实验部分821实验原料与实验仪器8211实验原料8212实验仪器822样品制备923测试与表征9231发泡行为测试9232力学性能测试11第三章不同发泡剂对橡胶发泡行为的影响1231前言1232不同发泡剂对橡胶发泡质量的影响1333不同发泡剂对发泡橡胶泡孔结构的影响1634小结17第四章不同发泡剂对发泡橡胶力学性能的影响1841前言1842不同发泡剂对发泡橡邵尔硬度的影响1843不同发泡剂对发泡橡冲击回弹性能的影响1944不同发泡剂对发泡橡胶压缩永久变形的影响2043小结22第五章结论23参考文献24致谢词261不同发泡剂对橡胶发泡行为及力学性能的研究(贵州师范大学材料与建筑工程学院贵州贵阳550014)摘要通过在天然橡胶中加入白陶土、促进剂TT、硫磺,ZNO,SA,并改变不同发泡剂种类(AC、OBSH)及含量,在密炼机和开炼机中混炼,研究不同发泡剂对天然橡胶发泡行为及力学性能的影响,实验结果表明使用OBSH发泡剂制得的发泡橡胶泡孔较细且较均匀,且泡孔密度适中,在其含量为3份时,其泡孔密度为9106个/CM3,泡孔直径为93ΜM,泡孔直径标准差为10ΜM,表观密度为052G/CM3;压缩永久变形明显小于使用AC发泡剂的发泡橡胶,且在含量为3份时效果最佳,其压缩永久变形量为17,冲击回弹55,邵尔硬度为40关键词天然橡胶;发泡剂;发泡性能;力学性能ABSTRACTTHROUGHTHEINNATURALRUBBERWITHWHITECLAY,PROMOTINGAGENTSTT,SULPHUR,ZNO,SA,ANDCHANGETHEDIFFERENTTYPESOFFOAMINGAGENTAC,OBSHANDCONTENT,INCLOSEMIXINGMILLANDOPENINMIXINGMILLMIXEDREFINE,STUDYOFNATURALRUBBER,FOAMINGDIFFERENTFOAMINGAGENTBEHAVIORANDTHEMECHANICSPROPERTIESOF,THEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATBYUSINGOBSHMADEFOAMRUBBERFOAMINGAGENTBUBBLEHOLEISFINEANDISEVEN,ANDTHEBUBBLEHOLEDENSITYMODERATE,INITSCONTENTISTHREEPARTS,THEBUBBLEHOLEDENSITYFOR9X106A/CM2,BUBBLEHOLEDIAMETERFOR93ΜM,BUBBLEHOLEDIAMETERSTANDARDDEVIATIONOF10ΜM,APPARENTDENSITYOF052G/CM3;COMPRESSIONPERMANENTDEFORMATIONISSMALLERTHANTHEFOAMRUBBERUSINGACFOAMINGAGENT,ANDINCONTENTIS3OFTHEBESTEFFECT,THECOMPRESSIONPERMANENTDEFORMATIONIS17,ANDTHESHOCKREBOUND55,SHAOERHARDNESSIS40KEYWORDSNATURALRUBBER;FOAMINGAGENT;FOAMPERFORMANCE;MECHANICALPROPERTIES2第一章文献综述11发泡材料的概述及国内外的研究状况111发泡材料的概述1111发泡材料的定义及应用发泡材料,又叫多孔材料或海绵材料,是一类包含大量孔隙的材料。它是由构成材料本身的连续固相(基体或基材)和形成孔隙的流体相(孔隙)所组成。其中的流体相按照孔隙中所含介质的不同而分为两类,即介质为气体时的气相和介质为液体时的液相。作为发泡材料,须具备两种条件,一是材料中含有大量的孔隙,二是所含孔隙被用来满足某种或某些设计要求以达到所期待的使用性能指标。材料中的孔隙不同于材料使用过程中经常遇到的孔洞、裂隙等以缺陷形式存在的孔隙,因为这些孔隙的存在会降低材料的使用性能。根据孔洞是否相互连通,可分为开孔发泡材料、闭孔发泡材料和混合孔发泡材料。许多材料都可以制成发泡材料,发泡材料按基体不同可分为金属发泡材料、陶瓷玻璃发泡材料、木材发泡材料、高分子泡沫材料,这其中又包括塑料发泡材料和橡胶发泡材料。按照发泡倍率的大小可以分为高发泡材料(发泡倍率大于5倍)和低发泡材料。自然界中广泛地存在着发泡固体,并且被人类大规模地应用,随着科学的进步,天然的发泡材料难以满足人类的需要,最近以来,人类已经制造出各种各样的发泡固体,如为人们所熟悉的是聚合物泡沫材料,可用于众多场合,从可以回收处理的咖啡杯到飞机座舱的冲击垫等。目前的技术不但可以制造泡沫聚合物,而且还可以制造金属、陶瓷和玻璃的泡沫材料。这极大的丰富了发泡材料的性能,并进一步满足人类的各种需求。1112发泡材料的制备方法发泡材料独特的性能特点以及其广泛的应用,已引起人类的广泛的兴趣。经过近100多年的研究发展,目前几乎所有的材料都可以进行泡沫化。当前使用最普遍的发泡材料是聚合物泡沫材料,但金属、陶瓷、玻璃甚至复合材料也都可以制备其发泡体,发泡材料已成了材料加工中的一个重要的研究领域。基于发泡材料是大量的泡孔分散于各种不同的基材中的结构特点,研究者们从不同的角3度,提出各种方案、途径来制备发泡材料。从文献的调研来看,已经有很多制备发泡材料的工艺方法,尽管有些利用材料独特的特性而采用比较特殊的制备工艺,但一般按照工艺技术的特点,发泡材料的制备方法大致可分为烧结法、占位填料法、物理发泡法、化学发泡法等。A、烧结法烧结法是利用颗粒自身具有的烧结性能将材料颗粒堆积体烧结在一起而形成的发泡材料。在整个的加工过程中,材料粉末总是保持着固体状态,仅仅是经过烧结处理或其它固态操作。其固体骨架由球状单个粒子通过烧结颈连接而成。烧结是多孔制品工艺中的关键步骤,在工艺上常被视为一种热处理,即将粉末毛坯加热到低于其中主要组分熔点温度下保温一段时间,然后冷却到室温。粉末颗粒的聚集体变成晶粒聚结体,从而获得具有一定物理、机械性能的材料或制品。烧结区别于固相反应的一个重要方面是,烧结过程可能包含某些化学反应,但也可在不发生任何化学反应的情况下进行。烧结过程存在多种形式的物质迁移,从多孔材料在其间的孔隙变化出发,可将松装或成型后压坯的烧结过程大致分成颗粒间的初始金属结合、烧结颈的生长、小孔道的闭合、孔的球化及孔道的圆柱体化、致密化或孔的收缩和粗化等几个阶段。早在1909年,国外专利就提到过粉末冶金多孔制件的报道。用球形粉末作原料制得的多孔体孔具有易于控制,透过性能好等优点。另外,在粉末中添加各种造孔剂,如碳酸氢铵、尿素、甲基纤维素等可明显提高其孔率和透过性。B、占位填料法占位填料法是将发泡基材与占位体一起混合,或者将基材浸泡甚至是用粘合剂与占位材料相粘合,形成混合的固体料块,然后依据占位体和基材的物理和化学的性质,通过热处理、溶解、滤除、电化学腐蚀等方式来除去占位材料,形成发泡材料。如在陶瓷配料中添加挥发性或可燃性造孔剂,利用造孔剂在高温下挥发或燃烧后在陶瓷中留下孔隙,而制备发泡陶瓷。其中有机泡沫浸浆工艺是一种使用最普遍的制备发泡陶瓷的方法,先将配置好的陶瓷浆料浸渍有机泡沫,然后烧除有机物并烧结陶瓷体即得多孔陶瓷产品。独特之处在于其借助有机泡沫体的开孔三维网状骨架结构,所得多孔制品的孔隙结构与所用有机泡沫前驱体近乎相同,制品孔隙尺寸亦主要取决于有机泡沫体的孔隙尺寸,同时也与浆料在母体上的涂覆厚度以及浆料的干燥收缩、烧结收缩有关。4C、物理发泡法物理发泡法是将非活性气体,如二氧化碳或氮气,高压下将其压入热聚合物熔体,然后减压使其膨胀成泡孔,或者将低熔点的液体如氟利昂或二氯甲烷混入聚合物使其加热挥发从而形成气泡。如在悬浮聚合的聚苯乙烯颗粒中掺入低沸点液体(如石油醚、丙烷、丁烷、戊烷及其异构体等),使聚苯乙烯形成可发性珠粒,然后经过预发泡、熟化和发泡成型而制成发泡制品。至于孔穴尺寸在10ΜM量级的微孔泡沫材料,可由饱和渗透法制得。即在室温或低温下加压将非活性气体(如CO2等)渗入聚合物,形成气体聚合物均相体系,然后升高温度至聚合物的玻璃化转变温度并释放压力,气体在聚合物中成过饱和状态,导致泡核形成并长大,制备出孔穴尺寸在10ΜM量级的微孔泡沫材料。D、化学发泡法化学发泡法是在加工过程中伴随着化学反应产生气体而导致基材发泡的工艺,它包括两种类型,即外加发泡剂热分解型和组分间相互作用而产生气体型。如在聚乙烯,聚丙烯中加入热分解型发泡剂如AC等混炼均匀,然后加热,发泡剂分解产生气体而使聚合物基材发泡1,2。熔融金属经过粘度调节后掺入释气发泡剂,在热的作用下发泡剂分解,原位释放气体,气体受热膨胀从而推动起泡过程,引起熔体直接发泡,经过冷却形成泡沫金属。该工艺可制备铝、铝合金、铅、锡、锌等低熔点的金属发泡材料,通常使用的发泡剂有TIH2、ZRH2、CAH2、MGH2、ERH2等粉状金属氢化物。一旦发泡剂与熔融金属接触,就会十分迅速的分解,故释气粉末的均匀分布应在瞬间完成。而聚氨酯泡沫材料的制备则是利用其中的组分异氰酸酯与水反应形成CO2气体而发泡3。112国内外对发泡材料的研究状况近10年国内外发泡橡胶材料研究受到广泛关注,应用越来越广泛,但同时对发泡橡胶的性能也提出了新的更高要求。橡胶的导热性能是近年来研究的热点,马连湘4,5等人利用稳态法研究了轮胎的导热性能。刘丽、宋君萍、何燕6等也对轮胎胶料的导热系数测定及误差进行分析。梁基照7,8等人研究了NR中空微球复合材料传热性能,并验证了聚合物中空微球复合材料理论的传热模型。王修行、梁高勇、赖军、陈绮梅9通过添加不同量的发泡剂H制备了发泡天然橡胶NR,并研究了发泡NR的力学及导热性能与发泡剂H之间的关系。结果表明,发泡NR的密度和力学性能随着发泡剂用量的增加逐渐下降。扫描电子显微镜SEM发现,随着发泡剂用量的增加,发泡结构逐渐由闭孔向开孔过渡。利用5平面热源法测试发泡NR的导热系数,发现导热系数随着测试温度的增加而增加,随着发泡剂用量的增加而逐渐减小。同时,马遥10应用无转子发泡硫化仪同时测定橡胶发泡胶料的硫化特性与发泡特性,系统考察了用发泡剂H制备天然橡胶发泡材料的过程。研究了配方与工艺等各种因素对硫化和发泡过程的影响,定量地表征了发泡剂以及硫化体系对发泡材料结构性能的影响,并在着重研究了NR发泡材料的压缩行为与能量吸收特性。综上所述,以上主要研究了橡胶的导热性,马遥虽应用无转子发泡硫化仪同时测定橡胶发泡胶料的硫化特性与发泡特性,系统考察了用发泡剂H制备天然橡胶发泡材料的过程。但是,在发泡过程中,橡胶的发泡行为及力学性能还与发泡剂的种类及含量有关,不过目前为止,发泡剂AC和OBSH对橡胶对校胶发泡行为及力学性的影响尚未有人进行过相关的研究,所以本论文将从“不同发泡剂(AC、OBSH)对橡胶的发泡行为及力学性能的影响”出发,找出适合橡胶发泡所需发泡剂的种类及含量,为后续生产提供理论参考。12选题的理论、实际意义橡胶发泡是指用特定的发泡剂处理橡胶从而使橡胶具有特征性能的处理手段。发泡橡胶具有密度小、节省原料、隔热保温、吸收冲击载荷等特性,被广泛应用于包装、建筑、汽车和轻工等相关领域1115。因此小到家用的一个凳子,大到祖国的航空、航天事业,都离不开它。而发泡橡胶的质量不仅与助剂含量、工艺参数有关,还直接与发泡剂种类及其含量有关。在生产中,常用的发泡剂有AC、OBSH等,由于发泡剂的使用种类和含量量不同,会使发泡橡胶存在各种缺陷,如发泡孔不足、填充模不足、发泡孔不均匀(过大或过小)、过硫化或欠硫化等1617,这些缺陷的存在,将严重影响橡胶发泡材料的各种性能(如密度、机械强度、静压缩永久变形、硬度、冲击弹性等),也就直接影响发泡材料的使用范围。因此,不管是从理论上说还是从生产实际中讲,找出合适发泡材料生产过程中所必需的发泡剂种类及其含量,以提高发泡橡胶硬度、密度、冲击回弹性等各种力学性能,并降低生产成本是很有必要的。本论文着重讨论“不同发泡剂对橡胶发泡行为及力学性能的影响”,以找出不同发泡剂对橡胶发泡行为及力学性能的影响规律,以在生产过程中得到较好发泡橡胶的质量的同时也节约了能原、降低生产成本。

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