关 键 词：

DTAB SDS 改性 粘土 制备 NBR 纳米 复合材料 结构 性能 研究

资源描述：

DTAB与SDS复配改性粘土制备粘土NBR纳米复合材料结构与性能研究,DTAB,SDS,改性,粘土,制备,NBR,纳米,复合材料,结构,性能,研究

内容简介：

毕毕 业业 论论 文文DTAB 与 SDS 复配改性粘土制备粘土/NBR 纳米复合材料结构与性能研究学生姓名学生姓名： 学号学号： 系系 部：部： 专专 业：业： 指导教师：指导教师： 二一四年六月 和志强102074208材料工程系高分子材料与工程梁玉蓉诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年 月 日毕业论文任务书毕业论文任务书论文题目：DTAB 与 SDS 复配改性制备粘土/NBR 纳米复合材料结构与性能研究 系部： 材料工程系 专业： 高分子材料与工程 学号： 102074108 学生： 和志强 指导教师（含职称）： 梁玉蓉（教授） 1课题意义及目标粘土/橡胶纳米复合材料可分为：普通型、插层型、剥离型，而剥离型纳米复合材料是理想的增强型材料。如何实现粘土在橡胶基中的纳米级分散，是制备粘土/橡胶纳米复合材料中最关键的因素。研究 DTAB/SDS 复配改性的配比与纳米复合材料性能的关系，通过 XRD、SEM 等测试分析，得到最佳的配比，指导工业化应用。2主要任务 1）查阅相关文献，提出试验方案；2）通过改变粘土与阳离子改性剂的配比，制备粘土/NBR 纳米复合材料；3）通过改变阳-阴离子复配改性粘土的配比，制备粘土/NBR 纳米复合材料；4）测试纳米复合材料的力学性能；5）通过红外、XRD、SEM 等测试，对纳米复合材料进行结构表征；6）记录实验结果，分析处理实验数据；7）完成毕业论文的撰写工作。3. 基本要求1）认真学习相关书籍，查阅中外文资料，制定出合理的实验研究方案；2）认真做好各环节实验，做好实验记录，要求实验数据准确可靠；3）勤于思考，应用所学的专业知识来解决实验中遇到的问题；4）翻译一篇与本课题相关的英文文献；5）论文撰写要求严格按照材料工程系“本科毕业论文格式要求”撰写。4. 主要参考资料1梁玉蓉, 张惠峰, 吴友平, 等. 丁基橡胶/有机黏土纳米复合材料的结构和性能J. 合成橡胶工业, 2005, 3: 211-215.2赵振, 许中坚, 邱喜阳, 等. 阴-阳离子有机膨润土制备及其对铅离子的吸附J. 环境工程学报, 2012, 6(12): 4405-4411.3LeBaron P C, Pinnavaia T J. Clay nanolayer reinforcement of a silicone elastomerJ. Chemistry of materials, 2001, 13(10): 3760-3765.4张立群, 孙朝晖, 王一中, 等. 粘土/NBR 纳米复合材料的性能研究J. 橡胶工业杂志, 1999, 1: 213-217.5进度安排论文各阶段名称起 止 日 期1查阅文献资料，确定实验方案1 月 3 日3 月 18 日2改变粘土与 DTAB 的配比制备 NBR/粘土纳米复合材料3 月 19 日4 月 1 日3改变 DTAB 与 SDS 的配比制备 NBR/粘土纳米复合材料4 月 2 日4 月 25 日4力学性能测试；红外、XRD、SEM 等结构表征4 月 26 日5 月 15 日5分析实验数据，查漏补遗5 月 16 日6 月 3 日6完成毕业论文及答辩工作6 月 4 日6 月 22 日审核人审核人： 年 月 日太原工业学院毕业论文- 1 -DTAB 与 SDS 复配改性粘土制备粘土/NBR 纳米复合材料结构与性能研究摘要：本课题通过选用十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）与阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠（SDS）对钠基土进行复配改性，主要研究阴-阳离子复配改性的配比对粘土/NBR 纳米复合材料力学性能的影响、纳米粘土在橡胶基体中的分散状况以及有机粘土晶层间距与复合材料性能的对应关系。实验先以无机土与阳离子改性剂配比为2.5:1、2.8:1 和 3.0:1 分为三大组, 其中无机土添加量为 10phr，每组再按DTAB:SDS 为 4:0、4:1、4:2、4:3 四种不同比例对无机粘土进行阴、阳离子复配改性。获得改性粘土后，利用相关配方进行炼胶，制备改性粘土/NBR 纳米复合材料，并另设一组加了无机粘土的 NBR 与一组纯 NBR 作为对照组。实验研究表明，加入复配改性粘土制备的胶料，结构与性能好于两组对照组，且当无机土与阳离子比为2.5:1，DTAB:SDS 为 4:2 时，所制备的复合材料结构与性能相对最为优异。关键词：丁腈橡胶，复配改性，DTAB，SDS，纳米复合材料，结构与性能太原工业学院毕业论文- 2 -Study on structure and performance of the the mixture of DTAB and SDS modified clay preparation clay/NBR nanocomposite materialsAbstract: This topic through the selection of twelve alkyl three methyl bromide (DTAB) and anionic surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS twelve) on Na bentonite was modified, dispersion of Yin cationic modification ratio, on the mechanical properties of clay /NBR nano composite nano clay in rubber matrix and the corresponding relationship of organic clay lattice spacing and the properties of the composite materials. Experiment to inorganic soil with cationic modifier ratio of 2.5:1, 2.8:1 and 3.0:1 were divided into three groups, in which inorganic soil additives for 10phr, and then press DTAB:SDS for each 4:0, 4:1, 4:2, 4:3 four different ratios of inorganic clay Yin, cationic modification. Modified clay obtained by using the correlation formula, compound, preparation of modified clay /NBR nanocomposite, and another group with inorganic clay NBR with a group of pure NBR as control group. Experiment results show that adding compound, modified rubber clay preparation, structure and performance in the two control groups, and when the inorganic soil cation ratio is 2.5:1, DTAB:SDS is 4:2, the structure and properties of composite materials were relatively the most excellent.Keywords: NBR, Composite modified, DTAB, SDS, Nanocomposites, Structure and properties太原工业学院毕业论文I目录1 前言.11.1 粘土、DTAB 与 SDS 的介绍.11.1.1 粘土的介绍.11.1.2 DTAB 与 SDS 的介绍.41.2 丁腈橡胶的介绍及应用.51.2.1 丁腈橡胶的介绍.51.2.2 丁腈橡胶的应用.61.3 粘土在橡胶材料中的应用.71.3.1 粘土/橡胶纳米复合材料的制备方法.81.3.2 粘土/聚合物纳米复合材料插层理论分析.101.3.3 粘土/橡胶纳米复合材料的性能特点.111.4 本课题研究的主要内容及意义.142 实验部分.152.1 实验原料及配方.152.1.1 实验原料.152.1.2 实验配方.152.2 实验设备及测试仪器.162.3 实验工艺过程.172.3.1 无机粘土的有机化处理.172.3.2 熔体法制备粘土/NBR 纳米复合材料 .182.4 粘土/橡胶纳米复合材料性能测定.192.4.1 微观结构表征.192.4.2 力学性能测试.193 实验结果与讨论.203.1 粘土改性方案及其改性后粘土的红外测试.203.1.1 不同阴阳离子配比改性粘土的方案.203.1.2 改性后粘土的红外数据及分析.21太原工业学院毕业论文II3.2 各组别有机粘土/NBR 复合材料的常规力学性能的分析 .223.2.1 不同组别的有机粘土/NBR 复合材料的力学性能纵向对比分析 .223.2.2 不同组别有机粘土/NBR 纳米复合材料基本力学性能纵向对比分析 .263.2.3 实验力学性能数据的总分析.293.3 复合材料和有机粘土的 XRD 测试.293.3.1 无机粘土:DTAB=2.5:1，DTAB:SDS=4:2 时的 XRD 谱图分析.303.3.2 无机粘土:DTAB=2.8:1，DTAB:SDS=4:2 时的 XRD 谱图分析.313.3.3 无机粘土:DTAB=3.0:1，DTAB:SDS=4:0 时的 XRD 谱图分析.324 结论.33参考文献.34致谢.36 太原工业学院毕业论文11 前言前言橡胶行业是国民经济的重要基础产业之一。它不仅为人们提供日常生活不可或缺的日用、医用等轻工橡胶产品，而且向采掘、交通、建筑、机械、电子等重工业和新兴产业提供各种橡胶制生产设备或橡胶部件。可见，橡胶行业的产品种类繁多，后向产业十分广阔。然而，随着时代的进步，对橡胶产品的性能要求变得越来越高，通用橡胶由于本身结构与性能限制，有时并不能满足产品要求，而特种橡胶则成本太高，因此，橡胶的改性技术则成为一个研究热点，其中通过改性粘土制备的粘土/橡胶纳米复合材料具有非常好的应用前景。本实验采用 DTAB 与 SDS 复配的方式改性粘土，并依据相关配方制备出粘土/丁腈橡胶纳米复合材料。通过对不同阴阳离子配比制成的粘土与粘土/丁腈橡胶纳米复合材料性能及微观表征测试，获得一种最佳配比，以更好地实现粘土片层在橡胶基体中的纳米级分散，为获得聚合物基纳米复合材料最佳性能的表面改性技术提供解决方案和理论依据，并指导此种材料的工业化生产。 1.1 粘土、粘土、DTAB 与与 SDS 的介绍的介绍1.1.1 粘土的粘土的介绍介绍粘土含沙粒很少、有黏性的土壤，水分不容易从中通过才具有较好的可塑性。一般的粘土都由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成。一般在原地风化，颗粒较大而成分接近原来的石块的，称为原生粘土或者是一次粘土。这种粘土的成分主要为氧化硅与氧化铝，色白而耐火，为配制瓷土之主要原料。粘土是粘土矿物的聚合体。粘土矿物是具有无序过渡结构的微粒质点含水层状硅酸盐矿物。层状硅酸盐分四面体片和八面体片。四面体片是由一个硅（或铝、铁）与四个氧紧密堆积所构成的四面体按二维面呈六角网状连结无限展开构成；八面体片是铝（镁）按二维面呈六次配位与氧或轻基紧密堆积而成的八面体沿二维面无限展开而成的。而四面体与八面体按不同规律连接起来所构成的晶层称结构层，层与层之间为弱的分子键，当有杂质取代 Al3+（Mg2+）时，其它的离子，如 Ca2+，Na+，K+等就填充在层间，以维持电荷的平衡。综上所述，粘土具有独特的晶层重叠结构，相邻晶层带有负电荷，因此，太原工业学院毕业论文2粘土层间一般吸附着阳离子。粘土包括高岭土、蒙脱石、膨润土等。膨润土又叫班脱岩或膨土岩。1972 年在西班牙马德里举行的国际粘土会议上 R.E.Grim 提出了膨润土的广泛定义，认为“膨润土是以蒙脱石类矿物为主要组成的岩石，是蒙脱石矿物达到可利用含量的粘土或粘土岩” 。因此蒙脱石是膨润土的主要矿物，其化学式为 4SiO2A12O3H2O。依据蒙脱土所含蒙脱石的主要阳离子种类分为钠基膨润土（碱性土） 、钙基膨润土（碱性土）和天然漂白土（酸性土）三种。我国主要以碱性系数 K 来划分钙基膨润土和钠基膨润土，规定 K 大于 1 的为钠基膨润土，K 小于 1 的为钙基膨润土。一般认为钠基膨润土优于钙基膨润土。蒙脱石具有以下几种基本特性：（1）晶格置换晶格内的异价类质同象置换是蒙脱石最基本、最重要的构造特性。蒙脱石的硅氧四面体和（或）铝氧八面体中的硅、铝离子被其它不等价阳离子（Fe3+、Fe2+、Zn2+、Mn2+、Li+等）所置换，其结果是：不同的置换离子、置换位置、置换量构成了一系列亚族矿物及化学成分的复杂形式；形成层间负电荷。（2）电负性蒙脱石的电负性主要来自三方面。晶格置换连同内部的补偿置换（一晶片中的电荷不平衡可由这晶片所在的晶胞的另一晶片抵销一部分）形成晶格静电荷。每个晶胞的晶格静电荷约 0.66 静电单位。这种电荷的密度不受所在介质的 pH 值影响，是蒙脱石电负性的主要方面。蒙脱石的 Si-O 和 Al-（O，OH）化学键在水介质中会发生断裂，造成端面破键。当 pH7 时端面则带负电荷；中性介质中为等电点。蒙脱石八面体片中的 A13+和 OH-（或 AlO33-）的离出而产生的端面电荷。在酸性介质中 OH-（或 AlO33-）离解占优势，端面为正电荷；在碱性介质中 A13+离解占优势，端面为负电荷；pH 值 9.1 左右为等电点。蒙脱石的端面电荷在总电荷中所占的比例虽很小，但它们对蒙脱石的胶体性质和流变性能影响却很大。（3）离子交换性能蒙脱石晶层所吸附的离子是可交换的，它们能与溶液中的离子进行等物质的量太原工业学院毕业论文3交换。离子交换是同电性离子之间的等电量的交换作用，属化学计量反应，符合质量守恒定律，交换和吸附是可逆的。蒙脱石的离子交换主要是阳离子交换。天然蒙脱石在 pH 为 7 的水介质中的阳离子交换容量（CEC）为 0.7l.4mmol/g（相当于每个晶胞带 0.51 个静电荷） 。此外，蒙脱石晶体端面所吸附的离子也具有可交换性，并随颗粒变细而增大，但在总交换容量中所占比例则极小。阳离子交换的选择和平衡的重要控制因素是阳离子浓度。一般情况下，加大代换阳离子的浓度即可提高交换量。（4）蒙脱石水体系特性蒙脱石矿物包含三种水，即表面的液态自然水，层间悬浮水（包括存在于晶层底面取向排列的偶极水和吸附态阳离子周围的水化膜两种）和晶格水。蒙脱石水体系有两个特性。膨胀性蒙脱石吸水（或有机物质）膨胀，晶层底面间层（c0）加大。自然界产出的较稳定形式的蒙脱石，单位化学式有 2H2O 时， （c0）=1.24nm，4H2O 时， （c0）=1.54nm。高水化状态（c0）最大可达 1.842.14nm，吸附有机分子（c0）最大可达4.8nm 左右。蒙脱石的吸附性能主要与交换性阳离子的性质有关。含二价阳离子的蒙脱石处在塑性体流体的过渡阶段时较一价阳离子蒙脱石水化能高，吸水速度快，吸水量大，在低湿度条件下的样品尤为明显；但进入分散状态，成为流体时则不然，此时吸水膨胀性能受晶胞的离解程度制约，含二价交换阳离子的蒙脱石晶胞的离解程度较含一价交换阳离子的蒙脱石晶胞的离解度低，吸水量就少，最终吸水率就低。Ca 基蒙脱石在水介质中的最终吸水率和膨胀倍数大大低于 Na 基蒙脱石。悬浮性蒙脱石在水介质中能分散呈胶体状态。蒙脱石胶体分散系的物理化学性质首先取决于分散相颗粒大小和形态。蒙脱石在分散液中可能呈单一晶胞，也可以是许多晶胞的附聚体。由于蒙脱石晶体表面电荷的多样性和颗粒的不规则性，造成不同的附聚形式，有晶层面平行叠置的面-面型（叫凝聚） ，有晶层面和晶体端面附聚的面-端型，还有晶体端面和端面附聚的端-端型（叫絮凝） ，以及以上两类附聚形式的聚集体。在分散液中添加大量金属阳离子，尤其是多价金属离子的情况下，会使蒙脱石晶层面的电动电位显著下降，产生面-面型聚集（在碱性分散液中更易发生） 。聚集使分散相的表面积和分散度变小。在酸性分散液中，若外来金属离子干扰少或没有时，蒙太原工业学院毕业论文4脱石晶体带正电荷的端面与晶层面组成面-端型絮凝。在中性分散液中，端面没有双电层，是端-端絮凝。絮凝体的骨架包括大量的水，在浓厚的分散液中，当絮凝发展到整个体系时，即成凝胶。比较稀薄的不安定的蒙脱石分散液，在附聚发展到一定阶段时，颗粒增大，直到产生沉积。1.1.2 DTAB 与与 SDS 的介绍的介绍（1）DTAB 的相关介绍十二烷基三甲基溴化铵属于季铵盐类，其结构是典型的表面活性剂两亲结构。十二烷基三甲基溴化铵的 HLB 值在 79 范围内，可作为油田领域中油基钻井液的润湿剂，具有良好的润湿反转作用。DTAB 的基本信息中文名称：十二烷基三甲基溴化铵分子式：C15H34NBr分子量：308.34DTAB 的物化性质及用途熔点：246用途：用作表面活性剂（3）SDS 的相关介绍SDS 的基本信息中文名称：十二烷基硫酸钠英文名称：Sodium dodecyl sulfate（SDS）其它中文名称：K12上下游产品上游原料：氯磺酸、十二醇。下游产品：20%盐酸吗啉双胍铜可湿性粉剂、丙烯酸树脂、苯丙乳液、无味红霉素。理化特性分子式：C12H25SO4Na分子量：288.38太原工业学院毕业论文5HLB：40，属于亲水基表面活性剂外观与性状：白色或奶油色结晶鳞片或粉末pH：7.5-9.5熔点（）：204-207相对密度（水=1）：1.09溶解性：易溶于热水，溶于水，溶于热乙醇，微溶于醇，不溶于氯仿、醚作用是一种白色或淡黄色微粘物，工业上常用于洗涤剂和纺织工业。属阴离子表面活性剂。易溶于水，与阴离子、非离子复配伍性好，具有良好的乳化、发泡、渗透、去污和分散性能，广泛用于牙膏、香波、洗发膏、洗发香波、洗衣粉、液洗、化妆品和塑料脱模，润滑以及制药、造纸、建材、化工等行业。 。生产方法三氧化硫法 反应装置为立式反应器。在 32下将氮气通过气体喷口进入反应器。氮气流量为 85.9 L/min。在 82.7kPa 下通入月桂醇，流量 58g/min。将液体三氧化硫在 124.1 kPa 下通入闪蒸器，闪蒸温度维持在 100，三氧化硫流量控制在 0.907 2kg/h。然后将硫酸化产物迅速骤冷至 50，打入老化器，放置 1020min。最后打入中和釜用碱中和。中和温度控制在 50，当 pH 值至 78.5 时出料，即得液体成品。喷雾干燥得固体成品。工业操作密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防尘口罩，戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。避免产生粉尘。避免与氧化剂接触。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备1.2 丁腈橡胶的介绍及应用丁腈橡胶的介绍及应用1.2.1 丁腈橡胶的丁腈橡胶的介绍介绍丁腈橡胶主要用于制作耐油制品，如耐油管、胶带、橡胶隔膜和大型油囊等，太原工业学院毕业论文6常用于制作各类耐油模压制品，如 O 形圈、油封、皮碗、膜片、活门、波纹管、胶管、密封件、发泡等，也用于制作胶板和耐磨零件。丁腈橡胶（NBR）是耐油性优异的弹性体。丁二烯单体可共聚成 3 种性质不同的链结构，即顺式、反式和 1，2-乙烯基。典型的 NBR 结构中反式占优势（约 78%） 。由于 NBR 分子结构中含有腈基，因而具有优异的耐油性（如耐矿物油、动植物油、液体燃料和溶剂） 。NBR 的耐热性优于天然橡胶、丁苯橡胶和氯丁橡胶。NBR 较其它橡胶有更宽域的使用温度，它能在 120下长期使用。NBR 具有良好的耐低温性，玻璃化温度为-55。NBR 耐化学稳定性好，提高其结构中的丙烯腈含量使相对密度增大，加工性能良好，硫化速度加快，拉伸强度提高，但回弹性下降，耐寒性劣化。NBR 中由于存在易被电场极化的腈基，因而降低了它的介电性能，属半导体橡胶。1.2.2 丁腈橡胶的应用丁腈橡胶的应用NBR 因其耐油性好，物理机械性能优异，已被广泛用于制造各种耐油制品，如O 型环、软管、垫圈以及燃料箱衬胶、油罐衬里、印刷滚筒、绝缘地面垫板、硬橡胶零件、耐油鞋底、织物涂层、泵的叶轮、管螺纹保护层以及电线包皮、胶粘剂、橡胶手套、食品包装用薄膜等领域。目前，世界上有 30 多个国家生产 NBR，应用领域广阔，其消费分布见表 1.1。表表 1.1 NBR 的消费分布的消费分布Table 1.1 Theconsumption of the distribution of NBR用途分布橡胶和石棉制品8082制鞋工业胶粘剂塑料改性电线电缆包皮增塑剂建筑材料涂料8112. 53. 01. 01. 50. 31. 00. 70. 90. 60. 80. 40. 5太原工业学院毕业论文7其它2. 53. 0（1）胶管制品及阻燃运输带NBR 最大的消费是生产耐油胶管制品以及阻燃运输带，消费量约占 NBR 总消费量的 50%，氟橡胶和 NBR 复合可制耐汽油渗透性好的胶管。采用具有尼龙夹层的NBR 和氯化丁基胶（CIIR）的内外层结构，可生产能防止氟利昂气体从胶管壁中渗出的新型胶管；采用 HNBR 为内层胶，尼龙 66 为补强层，外层采用 CSM 制成的汽车用动力转向管，在 120可承受脉冲次数 400 万次。此外 NBR 还是汽车用无级变速胶带，汽车用齿轮带，汽车和飞机燃料管等理想材料。我国几乎所有的胶管厂和杂品厂都数量不等地使用 NBR。（2）密封制品NBR 第二大应用领域是密封制品，广泛用于航天器件、液化石油气管道、变压器、气缸盖垫片、轿车 O 型密封圈等方面。其中汽车用密封件约占密封制品总消费量的 50%。（3）电线电缆目前，我国每年用于电线电缆制品的 NBR 约为 1000t。（4）胶粘剂NBR 胶粘剂是结构胶粘剂中的重要品种，广泛应用于航空、航天、汽车工业等领域（1618） 。上海橡胶制品研究所研制成功的 JX209、JX210、JX212 等结构胶粘剂已广泛用于航空、航天、电子机械等领域，目前研制的汽车刹车片胶粘剂已通过250等级的台架试验，NBR 胶粘剂在密封圈粘接、潜水装备、飞机修复、运输带粘接等方面已获得了良好的使用效果。（5）其他方面NBR 还用于制耐油胶板、印刷胶辊、煤矿阻燃液压胶管、油箱、油罐、盛油容器、耐油胶鞋等。太原工业学院毕业论文81.3 粘土在橡胶中的应用粘土在橡胶中的应用由于粘土在我国储量丰富，目前年产量达 100 万吨，价格便宜，因此开发利用粘土作为橡胶的补强剂，代替部分炭黑，不仅可减少炭黑的需求量，而且由于其独特的性能可以提高橡胶综合性能，并有可能获得其它填料无法达到的性能。早在唐代就发现并利用了粘土的吸附能力，到八十年代粘土已在许多领域获得了广泛的研究和应用。近年来，随着纳米技术的蓬勃发展，有关粘土/橡胶纳米复合材料的研究报道越来越多。目前，根据粘土片层的分散情况可将粘土/橡胶纳米复合材料分为三大类：（1）插层型，粘土为单晶层聚集体，其层间距较原始状态有所增大，有橡胶大分子插入其中，粘土片层近程仍保留其层状有序结构，而远程无序。其中聚集体的厚度为 1030nm，蒙脱土晶层长度和宽度约为 100300nm。（2）剥离型，粘土以约为 1nm 的单晶层独立、均匀地分散于橡胶基体中，有序结构皆被破坏。理论上，此种复合材料的性能最为优异，但很难制备。（3）隔离型，橡胶分子没有插入到粘土晶层之间，而是起到隔离作用，使粘土单晶层聚集体的厚度基本在 10mn 左右，同时也存在有部分完全剥离的单片层。1.3.1 粘土粘土/橡胶纳米复合材料的制备方法橡胶纳米复合材料的制备方法粘土/橡胶纳米复合材料的制备利用了层状硅酸盐矿物的两个特殊性能：（1）微米的矿物颗粒能够在化学作用力或物理作用力下分散成厚度达到纳米级的晶层，从而得到面厚比较大的纳米单元。（2）通过有机或无机阳离子的离子交换反应来调节粘土矿物的表面化学特性，获得与基体良好结合的纳米复合材料。粘土/橡胶纳米复合材料的制备方法主要包括原位聚合法、熔体插层法、溶液插层法和乳液法。原位插层聚合法将粘土在液体单体（或单体溶液）中溶胀，然后单体在层间引发聚合，引发可以采用光、辐射等，也可以采用引发剂，引发剂可以在溶胀前通过离子交换固定在粘土上。该种方法最早成功研究的是日本 Toyota 研究者利用 a，-氨基酸改性蒙脱太原工业学院毕业论文9土溶解在 -已内酞胺中，然后在 100下引发开环聚合，得到尼龙 6/蒙脱土纳米复合材料。US4889885 中制备粘土/橡胶纳米复合材料使用的就是该方法，即先用端乙烯基的季胺盐对粘土片层进行改性，然后将这种改性粘土分散在 N，N-二甲基甲酸胺溶剂中，加入大量的异戊二烯单体和相应比例的自由基类型的引发剂。异戊二烯就在粘土晶层间聚合成为聚异戊二烯，脱去溶剂，这样便得到了粘土/异戊二烯橡胶纳米复合材料。图图 1.1 原位聚合原理示意图原位聚合原理示意图Figure 1.1 The schematic diagram of the principle of in situ polymerization按照聚合反应类型的不同，插层聚合可以分为插层加聚和插层缩聚两种类型。利用聚合时放出的大量热量，以克服无机物片层之间的库仑力，使其层间距离增大或剥离，从而使粘土片层与聚合物以纳米尺度混合。因为小分子的单体比高聚物大分子小得多，较易插入无机物的层间，而且不同单体插入后的聚合，可以根据需要，既能形成线形聚合，又能形成网状聚合，因此这一方法适用范围广，形成复合材料的性能范围更广泛。但其比较复杂，很难在工业中大量应用。熔体插层法该方法将层状硅酸盐与聚合物基体在熔融状态下直接共混，使聚合物分子直接插入粘土片层之间。为了更好地理解这种方法的热力学原理，Vaai 等用平均场统计格子理论建立了模型来解释实验数据。他们认为，大分子的插层过程伴随着熵减，但硅酸盐片层打开的过程是熵增过程，两种作用相互抵消，最后结果是熵变为零，从理论模型来说，该过程最终主要取决于聚合物和有机粘土的表面能，因此聚合物与有机粘土的相容性是最终决定是否能形成纳米复合材料的关键。太原工业学院毕业论文10图图 1.2 熔体插层法原理示意图熔体插层法原理示意图Figure 1.2 The melt intercalation method principle diagram与原位插层聚合法相比较，它不需任何其他介质，不污染环境，适用的聚合物体系更广，是近年来研究的热点，但该方法中层状硅酸盐需要预先改性，其成本相对也较高。溶液插层法该方法首先将层状硅酸盐在一种溶剂（可以是有机溶剂或水）中剥离成单片层，然后将聚合物溶解在该混合物中，由于聚合物与层状硅酸盐片层有一定的吸附作用，当除去溶剂后，层状硅酸盐发生聚集，将聚合物夹在层状硅酸盐之间，得到具有一定规整结构的纳米复合材料。图图 1.3 溶液插层法原理示意图溶液插层法原理示意图Figure 1.3 The solution intercalation method principle diagram这种方法的热力学驱动是层间溶剂分子脱出的熵增过程，弥补了聚合物插层引起的熵减，从而可以自发进行。这种方法最大的优点是简化了复合过程，制备的材料性能更稳定。1.3.2 粘土粘土/聚合物纳米复合材料插层理论分析聚合物纳米复合材料插层理论分析太原工业学院毕业论文11在制备聚合物/粘土纳米复合材料的过程中，无论采取何种手段和工艺，聚合物分子链能否顺利插入粘土片层之间都是决定其是否成功的关键，因为该过程是一个高分子链构象熵减少的热力学过程，无法自发进行，必须依靠一定的外界驱动力。因此我们必须对制备聚合物/粘土纳米复合材料的过程中聚合物分子链插层及粘土层间膨胀这两个关键步骤进行分析，揭示出在采取不同的制备方法时，迫使聚合物分子链向粘土层间迁移的热力学驱动力，并且根据热力学和动力学的分析结果寻找到有利于聚合物/粘土纳米复合材料制备的条件，从而制备出性能优异的聚合物/粘土纳米复合材料。其中，粘土在聚合物基体中的分散是关键问题。聚合物分子链插层及层间膨胀过程能否顺利进行取决于整个系统热力学函数的变化，即相应过程中自由能的变化是否小于零。在制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的过程中，焓变主要由以下因素决定：单体或聚合物分子链与有机层状硅酸盐之间的相互作用强弱以及单体在有机层状硅酸盐层间聚合时所产生的焓变；熵变则主要和以下因素有关:反应体系中溶剂分子，单体分子以及聚合物大分子链的约束状态变化所产生的熵变，单体在层间聚合成聚合物大分子所产生的熵变。利用溶液插层法合成聚合物/粘土纳米复合材料，聚合物能够插层进入粘土片层的驱动力主要是通过溶剂小分子解吸附作用获得的熵增。而利用熔体插层法制备聚合物/粘土纳米复合材料时，聚合物插层的驱动力则主要来源于聚合物与粘土片层之间的相互作用。1.3.3 粘土粘土/橡胶纳米复合材料的性能特点橡胶纳米复合材料的性能特点20 世纪 70 年代美国康奈尔大学采用气相凝聚方法制备出纳米颗粒，代表着人工合成纳米材料的开始。当粒子尺寸进入纳米量级（1100nm）时，由于纳米粒子的表面原子数与体相总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，使其显示出强烈的体积效应（即小尺寸效应） 、量子尺寸效应、效应和宏观量子隧道效应。因为纳米级粉末表面电子结构和晶体结构发生变化，从而使超细粉末与常规粉末材料相比较，具有一系列新的物理、化学性能。由于纳米粒子的特殊性能，决定了它在国民经济各领域中具有广泛的应用前景。在塑料和橡胶的改性中，纳米技术起到非常重要的作用。太原工业学院毕业论文12聚合物纳米复合材料是以聚合物为基体（连续相） 、填充颗粒以纳米尺度（小于100nm）分散于基体中的新型高分子复合材料。聚合物纳米复合材料将无机材料的刚性、尺寸稳定性、热稳定性与聚合物的柔性、加工性及介电性能综合在一起，因而它具有质轻、高比强度等许多优异的性能。各种类型的聚合物纳米复合材料与其相应的宏观或微米级复合材料相比，不仅在性能上有大幅度改善，甚至表现出全新的物理化学性质，如透明、发光、抗菌、电磁性等特殊性能，因此它们在电子学、光学、力学和生物学等领域展现出广阔的应用前景，成为探索与制备高性能和多功能复合材料的重要途径。粘土/聚合物纳米复合材料因分散相的高形状比（面积/厚度比）而具有更为突出和优异的特性，如高强度，高刚性，高阻燃性，较高的模量、硬度。同时具有优异的气体阻隔性能和耐小分子溶胀和透过性能，以及耐油、耐热、耐化学腐蚀性能。因而受到各国学者的广泛关注。（1）气体阻隔性优异的气体阻隔性是粘土/聚合物纳米复合材料比较突出的性能优势之一。粘土提高气体阻隔性的主要原因是其可以延长气体分子在基体中扩散的路径。具有大的径厚比（aspect ratio）的粘土片层均匀地分散在聚合物基体中，使得气体或液体小分子在聚合物基体中的扩散运动必须绕过这些片层，因此增加了气体、液体分子在聚合物基体中扩散的有效途径，提高了聚合物材料对气体和液体的阻隔性能。（2）力学性能与传统材料相比，粘土/聚合物纳米复合材料在很小填料用量下就显示出相当高的模量，无论是动态还是静态，但随着基体种类、基体性质、粘土用量、粘土长径比、粘土与基体相容性等因素的改变，提高的幅度以及具体的力学行为稍有不同。当作为结构材料使用时，聚合物/粘土纳米复合材料的力学性能与常规的聚合物基复合材料相比，具有以下优点：比传统的聚合物填充体系质量轻，只需要很少质量份数的层状硅酸盐，即可同时具有高强度、强韧性；力学性能有望优于纤维增强聚合物体系，因为粘土可以在二维方向上起到增强作用。（3）热稳定性及阻燃性能粘土/聚合物纳米复合材料可以提高材料的热稳定性和阻燃性。热稳定性一般采用热失重（TGA）来表征。1965 年 Blumstin 首先报道了用单体 MMA 插层经自由基聚合制得的 PMMA/蒙脱土纳米复合材料的热稳定性改善情况。Blumstin 的研究结果表明，线性 PMMA 和交联型 PMMA 插层进入蒙脱土后，热分解温度（失重 50%时太原工业学院毕业论文13的温度）均提高了 4050。他还认为纳米复合材料高的热稳定性不仅是由结构不同引起的，而且还与层间 PMMA 分子的热运动受到限制有关。之后有许多关于层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料热稳定性的研究，引入粘土后的纳米复合材料与纯聚合物相比，热稳定性都得到了提高。例如，王胜杰等报道的含 8.1%（体积）蒙脱土的硅橡胶纳米复合材料的耐热性能和热稳定性均得到了较大的提高，热分解温度为433，亦高于硅橡胶（381） 。但也有反常情况，如在 EVA 基体中，有机粘土的引入反而使 EVA 的分解温度略有降低，作者解释为粘土改性剂分解产生的酸对EVA 的分解有促进作用。而在其他一些基体的研究中，由于粘土改性剂的不同，以及与基体作用的不同，情况更加复杂，但总体来说，纳米粘土因为可以阻隔聚合物分解产生的气体小分子，因而可以提高材料的热稳定性。Fujiwara 和 Sakamaoto 在 1976 年首次提到，尼龙 6/粘土纳米复合材料的阻燃性能。之后在 1997 年 Gilman 等详细报道了尼龙 6/层状硅酸盐纳米复合材料的阻燃性能研究结果。到目前为止，己经有大量关于层状硅酸盐/聚合物纳米复合材料阻燃性能的报道，这些研究结果均表明，采用锥形量热仪表征材料的阻燃性时，纳米复合材料的最大热释放速率和平均热释放速率都明显降低。表明纳米复合材料具有良好的阻燃性能，其阻燃机理大部分认为是凝聚相阻燃。（4）导电性Vaia 等研究了 PEO/层状硅酸盐纳米复合材料的离子导电性，与传统材料相比，将 PEO 插入 Li+-MMT 层间后显示出低温下稳定的离子导电性，这种导电性的提高，作者认为是由于纳米 MMT 的引入阻碍了 PEO 的结晶，因为晶区是绝缘的。这种室温下具有较高的电导率使得该材料成为有广阔前景的新型导电材料。Hutchsion 在其他基体中的研究结果也与此类似。（5）生物降解性纳米技术的另外一个有趣并非常有价值的特性是可以显著提高聚合物的生物降解性。Tettod 等首次报道了基于 PCL 合成的 PCL/有机层状硅酸盐纳米复合材料的生物降解性，与纯 PCL 相比，纳米复合材料的生物降解性较高，其原因可能是有机层状硅酸盐对 PCL 的降解具有催化作用，但不十分肯定。Lee 等报道了脂肪聚醋/粘土纳米复合材料的生物降解性，sinha 等报道了 PCL/蒙脱土纳米复合材料的生物降解性，与纯聚合物相比，纳米复合材料的生物降解性都得到了提高。含 4wt%蒙脱土的PCL/蒙脱土纳米复合材料在一个月内，其重量损失与纯基体一致，但 1 个月后，发太原工业学院毕业论文14生了显著变化，到 2 个月时，纳米复合材料已经完全分解。其原因可能是均匀分散的层状硅酸盐的端羟基在基体吸收水以后，导致基体发生了异相水解作用，该水解作用存在最佳时间，对该体系而言是 1 个月。有关该体系作者还详细报道了有关机理方面的研究结果。（6）光-电性能纳米复合材料对于聚合物的性能基本上都可以提高，最重要的是各种性能的兼顾。在光学透明性上，由于纳米复合材料两组份间不发生微米级相分离，相的尺寸小于可见光的波长，由此某些聚合物/粘土纳米复合材料反而比纯聚合物更透明，如添加 4.2vol%蒙脱土的尼龙 6 的透光率（40%）比纯尼龙的（10%）高的多。在 PVA体系中引入层状硅酸盐后其光学透明性未受到影响。也有报道纳米复合材料在特殊聚合物基体中的一些性能，如在聚苯胺中或在液晶聚合物中，层状硅酸盐纳米复合材料表现为双稳态且可逆的电-光转换性能。这是一种非常有价值的性能特点，可以应用在航空航天领域。从以上各种性能的研究来看，粘土/聚合物纳米复合材料具有优异的综合性能，在实际应用中前景十分光明，但具体在应用方面的研究还很欠缺，在理论上也需要深入研究。1.4 本课题研究的主要内容及意义本课题研究的主要内容及意义本课题通过选用十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）与阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠（SDS）对钠基土进行复配改性，主要考察阴-阳离子复配改性的配比对粘土/NBR 纳米复合材料力学性能的影响、纳米粘土在橡胶基体中的分散状况以及有机粘土晶层间距与复合材料性能的对应关系，通过力学性能测试、红外测试、扫描电镜（SEM）等测试分析与结构表征，得到最佳的配比，指导橡胶基复合材料的工业化应用。主要内容是：（1）控制工艺参数，采用阳离子与阴离子复配改性无机粘土。其中无机土与阳离子改性剂配比为 2.5:1、2.8:1 和 3.0:1,无机土添加量为 10phr。以此配比为基准，调试阴离子改性剂配比。（2）熔体法制备粘土/NBR 纳米复合材料。（3）常规力学性能及微观表征的测验。太原工业学院毕业论文15（4）分析比较所有所得数据，得出结论。本课题的创新性在于采用阴阳离子复配的方法改性粘土，能使粘土片层更好地分散在橡胶基体中，并通过控制粘土、 DTAB、SDS 三种成分的比例，可以横向、纵向来比较不同配比阴阳离子复配改性的粘土对所制得的粘土/丁腈橡胶复合材料的影响，实验最后将获得一种最佳的阴阳离子配比，用此配比改性后的粘土，将在今后丁腈橡胶工业生产中俱有极大的意义。2 实验部分实验部分2.1 实验原料及配方实验原料及配方2.1.1 实验原料实验原料表表 2.1 实验原材料实验原材料Table 2.1 The aboratory raw material名称生产厂家丁腈橡胶（NBR）吉林化学股份有限公司无机粘土浙江长兴县泗安镇十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）天津市大茂化学试剂厂十二烷基磺酸钠（SDS）天津市福晨化学试剂厂氧化锌天津恒兴化学剂制造有限公司硬脂酸天津恒兴化学剂制造有限公司促进剂 M东北化工助剂有限公司促进剂 DM东北化工助剂有限公司硫磺天津市天大化学试剂厂去离子水市售2.1.2 实验配方实验配方太原工业学院毕业论文16表表 2.2 丁腈橡胶丁腈橡胶/粘土纳米复合材料的配方粘土纳米复合材料的配方Table 2.2 The Nitrile rubber / clay nanocomposite formula配合剂名称用量（份）丁腈橡胶（NBR）100硬脂酸2氧化锌5促 DM0.5促 M1硫磺2有机土以无机土 10g 进行计算2.2 实验设备及测试仪器实验设备及测试仪器表表2.3 设备、仪器的厂家和型号设备、仪器的厂家和型号Table 2.3 Equipment, apparatus, the manufacturers and models设备名称型号生产厂家真空干燥机箱DZF-6021上海一恒科学仪器有限公司开放式炼胶机5X(S)K-160江都市金刚机械厂电脑型无转子密闭型硫化仪MDR-2000上海登杰机器设备有限公司平板硫化机XCB-D 3503502青岛鑫城橡胶机械厂拉伸试验机LJ-500高铁检测仪器有限公司热失重仪HCT-1北京恒久科学仪器厂太原工业学院毕业论文17扫描电镜KYKY-EM3800北京中科科仪技术发展公司X-衍射仪TD-3000丹东通达仪器有限公司搅拌器JJ-1江苏荣华仪器制造公司橡胶硬度计LX-A上海六中量仪厂冲片机CP-25上海化工机械四厂2.3 实验工艺过程实验工艺过程2.3.1 无机粘土的有机化处理无机粘土的有机化处理改性粘土是本实验的第一个大步骤，也是本实验的核心所在，其步骤如下，具体流程图见图 2.1。（1）将无机粘土与去离子水按照比例每 1g 兑 10ml 水的比例配置成泥浆液，放入恒温水浴锅在温度 80下恒温搅拌 1 小时直至均匀；（2） 以有机改性剂（十二烷基三甲基溴化铵）与无机粘土比例为1g:3.0g、1g:2.8g、1g:2.5g 称取改性剂并加入到泥浆液中继续恒温搅拌 2h；（3）按所定阴阳离子配比计算并加入阴离子（SDS）理应加入的量，继续搅拌2h 至吸附充分；（4）取出抽滤四次，放入烘箱中在 80温度下烘干；（5）用研钵研磨过筛，得到 DTAB 与 SDS 的复配改性有机粘土。 无机粘土去离子水搅拌 1h搅拌 2h加入 DTAB加入 SDS太原工业学院毕业论文18图图 2.1 粘土有机化工艺流程图粘土有机化工艺流程图Figure 2.1 Clay organic process flow diagram2.3.2 熔体法制备粘土熔体法制备粘土/NBR 纳米复合材料纳米复合材料称取丁腈橡胶 100g，并按照基本配方称取药品，将橡胶放入双辊开炼机中混炼，加入一定量的有机粘土，通过强烈的机械剪切力使有机粘土与橡胶混合均匀；依次加入硫化助剂，混炼时间控制在 10-15min 以内，混炼均匀后下片，得到粘土/橡胶混合物，将粘土/橡胶混合物于室温下静置 2h 后，利用电脑型无转子密闭硫化仪测得正硫化时间 t90，然后再平板硫化机上进行硫化，制得粘土/NBR 纳米复合材料。加料顺序为：粘土氧化锌硬脂酸促 M、促 DM硫磺。流程图请参考2.2。搅拌 2h抽滤、烘干、研磨改性后的有机粘土割刀混炼吃料NBR/粘土纳米复合材料丁腈橡胶有机粘土割刀打三角包割刀混炼吃料氧化锌、硬脂酸打八个三角包促进剂硫 磺打七个三角包，七个卷太原工业学院毕业论文19 图图 2.2 炼胶工艺流程图炼胶工艺流程图Figure 2.2 The mixing process flow chart2.4 粘土粘土/橡胶纳米复合材料性能测定橡胶纳米复合材料性能测定2.4.1 微观表征测试微观表征测试采用丹东通达仪器有限公司生产的 TD-3000 型 X 射线衍射仪（XRD） ，测定粘土的晶层间距（d） 。进行 XRD 衍射测试时，测定参数均采用小角测定时的参数，其测试条件为：扫描方式：连续扫描；驱动方式：双轴联动；波长值：Cu-1.54178；起始角度：0.5；停止角度：10；扫描速率：0.02；采样时间：1s；满量程：100；管电压：40kV；管电流：30mA；探测器：正比探测器；滤波片：1；发散狭缝：1/6； 散射狭缝：1/6；接收狭缝：0.05mm。测定硫化时间停放 2h 以上160 摄氏度硫化若干小时后进行性能检测太原工业学院毕业论文202.4.2 力学性能测试力学性能测试力学性能是指材料在外力作用下，产生和发生形变（可逆与不可逆）及抵抗破坏的能力。它是决定制品使用性能的一项重要指标。硫化胶的拉伸强度、撕裂强度、100%（或 200%、300%）定伸应力、伸长率、永久变形、邵氏硬度等静态力学性能的测试均按照相应的国家标准执行。拉伸速率为 100mm/min，测试温度为室温。3 实验结果与讨论实验结果与讨论3.1 粘土改性方案及其改性后粘土的红外测试粘土改性方案及其改性后粘土的红外测试3.1.1 不同阴阳离子配比改性粘土的方案不同阴阳离子配比改性粘土的方案为了方便纵比、横比，先将实验按无机土与阳离子改性剂配比为 2.5:1、2.8:1和 3.0:1 分为三个大组，其中无机土为 10 份，每组再按 DTAB:SDS 为4:0、4:1、4:2、4:3 四个比例来复配改性粘土，因此改性粘土时各组分需加入量及炼胶时对应加入有机土的量的情况为：表表 3.1 无机土无机土: :DTAB=2.5: :1Table 3.1 The ratio of rubber and clay is 3.0: :1无机粘土DTABSDS有机土4:01040144:11041154:21042164:3104317表表 3.2 无机土无机土: :DTAB=2.8: :1Table 3.2 The ratio of rubber and clay is 3.0: :1太原工业学院毕业论文21无机粘土DTABSDS有机土4:0103.57013.574:1103.570.8914.464:2103.571.7815.354:3103.572.6716.24表表 3.3 无机土无机土: :DTAB=3.0: :1Table 3.3 The ratio of rubber and clay is 3.0: :1无机粘土DTABSDS有机土4:0103.33013.334:1103.330.8314.164:2103.331.6715.004:3103.332.5015.83依以上三个表格所设比例改性无机粘土，之后用改性过后的有机粘土制备粘土/NBR 纳米复合材料。并另设两组空白试验，一组为不加任何粘土的纯丁腈橡胶，一组为加了 10 份无机粘土的丁腈橡胶。对改性后的粘土做红外测试，同时对所有测得的复合材料进行基本力学性能测试，再选出最好的组别做有机粘土与复合材料 XRD 扫描测定，以分析其微观表征。3.1.2 改性后粘土的红外数据及分析改性后粘土的红外数据及分析太原工业学院毕业论文2250010001500200025003000350040004500 Absorbance 1040.51040.51040.51040.53627.83627.83627.83627.82849.72928.82849.72928.82849.72928.81643.61477.51486.41486.42.5:14:22.8:14:23.0:14:2Wavenumber/cm-1无 机 土 图图 3.1 有机粘土红外光谱图有机粘土红外光谱图Figure 3.1 The infrared spectra of organic clay图 3.1 中第一条曲线代表的是无机粘土的红外光谱图，第二条代表的是无机粘土与 DTAB 比为 2.5:1，DTAB 与 SDS 比为 4:2 时改性后的粘土，第三条代表的是无机粘土与 DTAB 比为 2.8:1，DTAB 与 SDS 比为 4:2 时改性后的粘土，第三条代表的是无机粘土与 DTAB 比为 3.0:1，DTAB 与 SDS 比为 4:1 时改性后的粘土,根据所测红外光谱图不难看出，无机粘土在峰值为 1040cm-1附近出现峰，此峰代表的是 Si-O-Si 的伸缩振动峰。此外，在 1643cm-1附近出现的峰是粘土层间水的弯曲振动峰，在 3627cm-1处出现的峰是 O-H 伸缩振动峰，这些都是无机粘土的特征峰。当无机粘土经过季铵盐类有机改性剂改性之后，通过将其三条红外光谱图与无机粘土的红外光谱图对比可以看出，三条有机粘土的红外光谱图均在 1486cm-1处出现了 C-N 的弯曲振动峰，在 2928cm-1和 2850cm-1附近出现的峰则是-CH2和-CH3的伸缩振动峰，除此之外，可以发现在 1643cm-1处的粘土层间水的伸缩振动峰消失了。这些现象表明了 DTAB 与 SDS 复配的阴阳离子已经取代了无机粘土层间可交换的阳离子，由此可以证明 DTAB 与 SDS 复配改性无机粘土取得成功，已获得实验所要求的有机粘土。太原工业学院毕业论文233.2 各组别有机粘土各组别有机粘土/NBR 复合材料的常规力学性能的分析复合材料的常规力学性能的分析3.2.1 不同组别的有机粘土不同组别的有机粘土/NBR 复合材料的力学性能纵向对比分析复合材料的力学性能纵向对比分析通过拉伸测试仪得到空白对照组力学性能如表 3.4 所示。表表 3.4 空白对照组的力学性能空白对照组的力学性能Table 3.4 The mechanical properties of the blank control group阴阳离子比列拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度纯胶1.811.00.41.14258%44纯胶加无机土2.214.30.41.05578%47通过拉伸测试仪得到当无机土:DTAB=2.5:1 时对应的有机粘土/NBR 复合材料力学性能如表 3.5 所示。表表 3.5 有机粘土有机粘土/NBR 复合材料的力学性能（无机土复合材料的力学性能（无机土: :DTAB=2.5: :1）Table 3.5 Mechanical properties of NBR/ Inorganic clay nanocomposites（Inorganic soil: :DTAB=2.5: :1）阴阳离子比列拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度4:03.518.41.52.22898%564:14.017.01.53.03668%534:24.520.31.72.53078%514:34.318.51.52.33158%50太原工业学院毕业论文24由表 3.5 对粘土与 DTAB 比例为 2.5:1 时所制得的有机粘土/NBR 复合材料的基本力学性能进行分析，可以看出六个小组对应的复合材料永久变形都十分接近，改性后的粘土组别对应的复合材料硬度、拉伸强度、撕裂强度和定伸应力比之两个对照组都有了明显的提升，断裂伸长率则有所下降，再通过对详细数据的纵向对比，不难得出结论：（1）加有改性后的有机粘土的复合材料，其力学性能明显好于纯 NBR 和只加了无机土的 NBR，而加了无机土的 NBR 性能稍好于纯 NBR。（2）在 DTAB：SDS 为 4:0、4:1、4:2、4:3 的四个小组中，当比例为 4:2 时，复合材料的拉伸强度与撕裂强度最好，综合力学性能最优。（3）在 DTAB：SDS 为 4:0、4:1、4:2、4:3 的四个小组中，当比例为 4:0 即只加 DTAB 而未加 SDS 时，其对应复合材料的拉伸强度与撕裂强度最差，且与其他三个比例的数据差距明显，综合力学性能最差。通过拉伸测试仪得到当无机土:DTAB=2.8:1 时对应的有机粘土/NBR 复合材料力学性能如表 3.6 所示。表表 3.6 有机粘土有机粘土/NBR 复合材料的力学性能（无机土复合材料的力学性能（无机土: :DTAB=2.8: :1）Table 3.6 Mechanical properties of NBR/ Inorganic clay nanocomposites（Inorganic soil: :DTAB=2.8: :1）阴阳离子比列拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度4:03.115.31.42.7299.98%564:13.917.31.33.6315.08%534:24.018.51.12.8356.58%554:33.216.81.22.3365.18%59由表 3.6 对粘土与 DTAB 比例为 2.8:1 时所制得的有机粘土/NBR 复合材料的基本力学性能进行分析，可以看出六个小组对应的复合材料永久变形都十分接近，改太原工业学院毕业论文25性后的粘土组别对应的复合材料硬度、拉伸强度、撕裂强度和定伸应力比之两个对照组都有了明显的提升，断裂伸长率则有所下降，再通过对详细数据的纵向对比，不难得出结论：（1）加有改性后的有机粘土的复合材料，其力学性能明显好于纯 NBR 和只加了无机土的 NBR，而加了无机土的 NBR 性能稍好于纯 NBR。（2）在 DTAB：SDS 为 4:0、4:1、4:2、4:3 的四个小组中，当比例为 4:2 时，复合材料的拉伸强度与撕裂强度最好，综合力学性能最优。（3）在 DTAB：SDS 为 4:0、4:1、4:2、4:3 的四个小组中，当比例为 4:0 即只加 DTAB 而未加 SDS 时，其对应复合材料的拉伸强度与撕裂强度最差，且与其他三个比例的数据差距明显，综合力学性能最差。通过拉伸测试仪得到当无机土:DTAB=3.0:1 时对应的有机粘土/NBR 复合材料力学性能如表 3.7 所示。表表 3.7 有机粘土有机粘土/NBR 复合材料的力学性能（无机土复合材料的力学性能（无机土: :DTAB=3.0:1）Table 3.7 Mechanical properties of NBR/ Inorganic clay nanocomposites（Inorganic soil: :DTAB=3.0: :1）阴阳离子比列拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度4:03.416.91.12.34198%604:12.916.40.61.64348%454:22.515.60.71.54338%504:32.715.50.71.54598%49由表 3.7 对粘土与 DTAB 比例为 3.0:1 时所制得的有机粘土/NBR 复合材料的基本力学性能进行分析，可以看出六个小组对应的复合材料永久变形都十分接近，改太原工业学院毕业论文26性后的粘土组别对应的复合材料硬度、拉伸强度、撕裂强度和定伸应力比之两个对照组都有了明显的提升，断裂伸长率则有所下降，再通过对详细数据的纵向对比，不难得出结论：（1）加有改性后的有机粘土的复合材料，其力学性能明显好于纯 NBR 和只加了无机土的 NBR，而加了无机土的 NBR 性能稍好于纯 NBR。（2）在 DTAB:SDS 为 4:0、4:1、4:2、4:3 的四个小组中，当比例为 4:0 即只加了 DTAB 而未加 SDS 时，复合材料的拉伸强度与撕裂强度最好，力学性能最优。（3）在 DTAB:SDS 为 4:0、4:1、4:2、4:3 的四个小组中，当比例为 4:2 时，其对应复合材料的拉伸强度与撕裂强度最差，且与其他三个比例的数据差距明显，综合力学性能最差。由表 3.4、表 3.5、表 3.6 和表 3.7 所得的几组数据进行总的归纳总结，求同去异，可以得出纵向对比的总结论：（1）加有改性后的有机粘土的复合材料，其力学性能明显好于纯 NBR 和只加了无机土的 NBR，而加了无机土的 NBR 性能稍好于纯 NBR。（2）2.5:1 组和 2.8:1 组中，都是阴阳离子复配改性的组别明显好于单 DTAB阳离子改性对应的组别，且都是 DTAB 与 SDS 比例为 4:2 时，对应复合材料的综合力学性能为同组中最优异的。（3）3.0:1 组的力学性能数据明显与 2.5:1 和 2.8:1 组的有区别，不但阴阳离子复配改性对应的组别力学性能低于单 DTAB 阳离子改性的，而且当 DTAB 与 SDS 比例为 4:2 时，对应的复合材料力学性能不但不是最好的，居然是最差的。如果排除操作及仪器故障，这种差异可能与改性粘土时，阴阳离子的加入量，即实验一开始设定分组时，无机粘土与 DTAB 的比例有关，需结合有关数据的横向对比再进行分析。3.2.2 不同组别有机粘土不同组别有机粘土/NBR 纳米复合材料基本力学性能横向对比分析纳米复合材料基本力学性能横向对比分析通过对制得所有有机粘土/NBR 纳米复合材料基本力学性能的数据进行横向对比分析，可得出在相同阴阳离子配比下，阴阳离子加入量对粘土改性的影响。表表 3.8 有机粘土有机粘土/NBR 复合材料的力学性能（复合材料的力学性能（DTAB: :SDS=4: :0）太原工业学院毕业论文27Table 3.8 Mechanical properties of NBR/ Inorganic clay nanocomposites(DTAB: :SDS=4: :0)无机粘土与DTAB 比例拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度2.5:13.518.41.52.22898%562.8:13.015.31.42.72998%563.0:13.416.91.12.34198%60由表 3.8 对 DTAB 与 SDS 比例为 4:0 时，无机粘土与 DTAB 比例分别为2.5:1、2.8:1 和 3.0:1 三种情况进行横向对比分析可知：（1）2.5:1 组的复合材料拉伸强度、撕裂强度都是三组中最好的，基本可以认定这一组的复合材料常规力学性能最优。（2）2.8:1 组的复合材料拉伸强度、撕裂强度是三组中相对最差的，3.0:1 组的复合材料则稍差于最好的 2.5:1 组。表表 3.9 有机粘土有机粘土/NBR 复合材料的力学性能复合材料的力学性能(DTAB: :SDS=4: :1)Table 3.9 Mechanical properties of NBR/ Inorganic clay nanocomposites(DTAB: :SDS=4: :1)无机粘土与DTAB 比例拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度2.5:14.017.01.53.03668%532.8:13.917.31.33.63158%533.0:12.916.40.61.64348%45由表 3.9 对 DTAB 与 SDS 比例为 4:1 时，无机粘土与 DTAB 比例分别为2.5:1、2.8:1 和 3.0:1 三种情况进行纵向对比分析可知：太原工业学院毕业论文28（1）2.5:1 组的复合材料拉伸强度是三组中最好的。（2）2.8:1 组的撕裂性能最好。（3）3.0:1 组的撕裂强度与其他两组相差不大，拉伸强度也差了许多，硬度也最差。（4）2.5:1 组与 2.8:1 组的复合材料力学性能相差不多，3.0:1 组的复合材料力学性能最差。 表表 3.10 有机粘土有机粘土/NBR 复合材料的力学性能（复合材料的力学性能（DTAB: :SDS=4: :2）Table 3.10 Mechanical properties of NBR/ Inorganic clay nanocomposites(DTAB: :SDS=4: :2)无机粘土与DTAB 比例拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度2.5:14.520.21.72.53078%512.8:14.018.51.12.83568%553.0:12.515.60.71.54338%50由表 3.10 对 DTAB 与 SDS 比例为 4:2 时，无机粘土与 DTAB 比例分别为2.5:1、2.8:1 和 3.0:1 三种情况进行横向对比分析可知：（1）2.5:1 组的复合材料拉伸强度、撕裂强度都是三组中最好的，可以认定这一组的复合材料常规力学性能最优。（2）3.0:1 组的复合材料拉伸强度、撕裂强度是三组中相对最差的，2.8:1 组的复合材料则稍差于最好的 2.5:1 组。表表 3.11 有机粘土有机粘土/NBR 复合材料的力学性能复合材料的力学性能(DTAB: :SDS=4: :3)Table 3.11 Mechanical properties of NBR/ Inorganic clay nanocomposites(DTAB: :SDS=4: :3)无机粘土与DTAB 比例拉伸强度/M Pa撕裂强度 N/mm100%定伸应力/M Pa300%定伸应力/M Pa断裂伸长率%永久变形硬度太原工业学院毕业论文292.5:14.318.51.52.33158%502.8:13.216.81.22.33658%593.0:12.715.50.71.54598%49由表 3.11 对 DTAB 与 SDS 比例为 4:3 时，无机粘土与 DTAB 比例分别为2.5:1、2.8:1 和 3.0:1 三种情况进行横向对比分析可知：（1）2.5:1 组的复合材料拉伸强度、撕裂强度明显是三组中最好的，这一组的复合材料常规力学性能最优。（2）3.0:1 组的复合材料拉伸强度、撕裂强度是三组中相对最差的，2.8:1 组的力学性能介于其他两组之间。通过对以上四组数据横向比较，综合四组分析结论，求同去异，可得横向对比的最终结论：（1）2.5:1 组的复合材料力学性能在所有四组横向比较中都是最优秀的。（2）2.8:1 组的复合材料力学性能居中。（3）3.0:1 组的除了单 DTAB 阳离子改性的那一组性能较为优异，其他情况下的横向比较都属于最差的那组。（4）改性粘土时，随着加入阴阳离子的量越多，对应的复合材料综合性能越优异。3.0:1 组可能是因为阴阳离子加入量太少造成其性能出现不同于其他两组的异常。3.2.3 实验力学性能数据的总分析实验力学性能数据的总分析通过对以上数据进行的横向、纵向分析对比，经过总结，可初步得出以下结论：（1）加有改性后的有机粘土的复合材料，其力学性能明显好于纯 NBR 和只加了无机土的 NBR，而加了无机土的 NBR 性能稍好于纯 NBR。（2）2.5:1 组对应的复合材料力学性能好于其他两组，2.8:1 组的稍差于 2.5:1组的，但明显好于 3.0:1 组的，即在这三组中，随着加入阴阳离子的量越多，对应的复合材料综合性能越优异。（3）对相对较好的 2.5:1 组和 2.8:1 组来说，阴阳离子复配改性后的效果明显好于但 DTAB 阳离子改性。太原工业学院毕业论文30（4）对相对较好的 2.5:1 组和 2.8:1 组来说，当加入的 DTAB 与 SDS 比例为 4:2时，其所对应的复合材料力学性能最为优异。（5）当无机粘土与 DTAB 的比例为 2.5:1，加入的 DTAB 与 SDS 比例为 4:2 时，所对应的有机粘土/NBR 纳米复合材料性能最为优异。3.3 复合材料和有机粘土的复合材料和有机粘土的 XRD 测试测试 由以上对所得有机粘土/NBR 复合材料力学性能的分析可得，2.5:1 组与 2.8:1组当 DTAB 与 SDS 比例为 4:2 时对应复合材料的力学性能优于本组其他比例，3.0:1 组则是单阳离子改性那一组的复合材料力学性能为本组最优，选取以上三个比例为样本，对改性后的有机粘土和有机粘土/NBR 纳米复合材料进行 XRD 测试。3.3.1 无机粘土无机粘土: :DTAB=2.5: :1，DTAB: :SDS=4: :2 时的时的 XRD 谱图分析谱图分析太原工业学院毕业论文310246810050100150200250300350400450500 Intensity2（ ）复 合 材 料 1.40 6.41nm有 机 粘 土 2.243.94nm图图 3.2 XRD 光谱图光谱图（无机粘土（无机粘土: :DTAB=2.5: :1，DTAB: :SDS=4: :2）Figure 3.2 XRD spectra (Inorganic clay: : DTAB=2.5: :1, DTAB: :SDS=4: :2) 由图 3.2 可知，无机粘土:DTAB=2.5:1，DTAB:SDS=4:2 时，有机粘土的衍射峰角度为 2.24，粘土/NBR 纳米复合材料的衍射峰角度为 1.40，用布拉格方程计算出他们的对应的晶层间距分别为 3.94nm，6.41nm，可见复合材料层间距由粘土的 3.94nm 增加到 6.41nm，增加了 2.47nm，且衍射峰强度较大，说明混炼后的NBR 橡胶基体与有机粘土片层成功实现插层结构，且插层数量较多，NBR 橡胶基体与有机粘土已形成均匀体复合材料。3.3.2 无机粘土无机粘土: :DTAB=2.8: :1，DTAB: :SDS=4: :2 时的时的 XRD 谱图分析谱图分析太原工业学院毕业论文320246810050100150200250300350400 Intensity2（ ） 有 机 粘 土 1.75 5.016 nm 复 合 材 料 1.28 7.00nm 图图 3.3 XRD 光谱图光谱图（无机粘土（无机粘土: :DTAB=2.8: :1，DTAB: :SDS=4: :2）Figure 3.3 XRD spectra (Inorganic clay: :DTAB=2.8: :1, DTAB: :SDS=4: :2)由图 3.3 可知，无机粘土：DTAB=2.8:1，DTAB：SDS=4:2 时，有机粘土的衍射峰角度为 1.75，粘土/NBR 纳米复合材料的衍射峰角度为 1.28，用布拉格方程计算出他们的对应的晶层间距分别为 5.016nm，7.00nm，可见复合材料层间距由粘土的5.016nm 增加到 7.00nm，增加了 1.984nm，且衍射峰强度较大，说明混炼后的 NBR橡胶基体与有机粘土片层成功实现插层结构，且插层数量较多，NBR 橡胶基体与有机粘土已形成均匀体复合材料。太原工业学院毕业论文333.3.4 无机粘土无机粘土: :DTAB=3.0: :1，DTAB: :SDS=4: :0 时的时的 XRD 谱图分析谱图分析0246810050100150200250300 Intensity2（ ） 有 机 粘 土 1.98 4.46nm 复 合 材 料 1.50 5.88nm 图图 3.4 XRD 光谱图光谱图（无机粘土（无机粘土: :DTAB=3.0: :1，DTAB: :SDS=4: :0）Figure 3.4 XRD spectra (Inorganic clay: :DTAB=3.0: :1, DTAB: :SDS=4: :0)由图 3.4 可知，无机粘土:DTAB