纳米粒子诱导橡胶分子运动产生变化的规律和机理

To correlate the microstructure and properties of rubber-based nanocomposites, it is necessary to understand the molecular dynamics of rubber molecules within the nanocomposites. However, the rules and mechanisms of nanoparticle-induced changes in the molecular dynamics of rubber molecules are still unclear and controversial, which greatly limits the development and application of rubber-based nanocomposites. In the present proposal, by choosing the molecular structure, nanoparticle dimension and type, surface modification agent and compounding method, model systems containing different interfacial interaction, filler network, confinement and particle interspace will be constructed. The effects of the multi-scale microstructures on the molecular dynamics in the matrix and the interfaces will be studied, and two-dimensional analysis will be used to separate the molecular motions of the interfaces from the matrix. In order to study the molecular mechanisms of nanoparticle-induced changes in the molecular dynamics on the atom-scale, ordinary and slow-beam positron annihilation spectroscopies will be used to detect the free-volume characteristics of the matrix and the interfaces. Based on these results, the relationships between microstructures-molecular dynamics-properties will be established. The research of the present proposal may provide theoretical bases for the reinforcement mechanism and viscoelasticity manipulation of rubber-based nanocomposites, and moreover may offer new concepts to design rubber materials for green tire and rubber materials with high performances.

理解橡胶纳米复合材料的分子运动是联系该材料结构与性能的必经途径，然而纳米粒子诱导橡胶分子运动产生变化的规律和机理仍未清楚，限制了新型橡胶纳米复合材料的开发和应用。本项目通过选择橡胶基体分子结构、纳米填料维数和种类、界面改性和复合方法，构筑含有不同界面作用、填料网络、受限空间和粒子间距的模型体系，研究纳米复合材料和结合橡胶中多层次微观结构对橡胶分子运动的影响规律，采用二维分析等方法分离出界面处和本体中的分子运动，采用普通正电子湮没寿命谱和慢正电子湮没寿命谱分别研究本体中和界面处橡胶的自由体积特性，在原子尺度上理解橡胶纳米复合材料分子运动产生变化的机理。在此基础上，以分子运动为桥梁建立橡胶纳米复合材料结构与性能的关系。本项目的研究成果将为理解橡胶增强机理和粘弹性能调控等物理问题提供理论基础，并为新型绿色轮胎胶料和高性能橡胶的开发提供新思路。

本项目在构筑橡胶纳米复合材料的新型界面作用、填料网络和微观结构，研究这些因素对橡胶纳米复合材料分子运动的影响，以分子运动为桥梁建立结构与性能的关系等方面取得了有科学意义的进展。采用氧化石墨烯作为交联剂交联丁苯橡胶,构筑强界面作用的模型体系，发现界面处分子运动受限，其Tg比本体高，导致动态粘弹谱上出现新的松弛转变过程，离析该松弛转变可以获得界面层厚度为7-13nm。利用石墨烯和碳纳米管通过π-π作用在橡胶基体中形成杂化填料网络，在应力作用下该填料网络破坏，提供牺牲键并耗散能量，显著提高橡胶的韧性和强度。系统探索了二维纳米填料石墨烯填充的橡胶纳米复合材料的制备方法、微观结构、界面作用和结构与性能的关系，为高性能新型橡胶纳米复合材料的研发奠定一定的理论和实验基础。对比分析动态力学谱和热焓测试，离析出橡胶动态力学谱上局部链段运动和Rouse运动等不同模式的分子运动，指出如何正确地采用动态力学谱测定玻璃化转变温度的方法。本项目发表SCI收录论文8篇（IF>7 2篇），申请发明专利1项，毕业硕士生1人。