基于“流变-小角中子散射”联用技术的硅橡胶纳米填充增强机理研究

The reinforcement mechanism of nano-silica/silicone rubber is one of the fundamental issues of its property. It is believed that the interface between fillers and polymers plays a vital important role in reinforcing the rubbers. However, conventional methods can hardly identify information such as conformation of specific polymer chain, aggregation network of nanoparticle scaled in 100-1000 nm, multi-phases comprise particle, polymer matrix, and their interface, which are the critical issues for understanding the dynamic and aging behavior of silicone rubbers under variant conditions. In this proposal, a rheo-small-angle neutron scattering (rheo-SANS) technique, as well as deuterium labeling and contrast variation method will be utilized. A systematic investigation of the influence of different elements on the materials, as well the corresponding chain conformation, aggregation structures, and the characters of the interface, will be conducted. In this way, the relationship of “outfield - microstructures - property” in silicone rubber might be explored. This work has a potential impact on providing a theoretical basis for processing and long term reliability of silicone rubbers.

硅橡胶纳米填充增强机理是控制和提高硅橡胶材料性能的核心问题之一。现有研究结果表明填料-高分子界面特性对增强效果有极其重要的影响。然而，常规研究方法很难准确鉴别硅橡胶体系中特定链结构的构象，几百纳米到微米尺度的纳米粒子聚集态网络，高分子基体和填充粒子以及二者界面层组成的多相体系等特性，而这恰恰是把握硅橡胶体系的动态和长期服役行为的重要信息。本项目拟利用“流变-小角中子散射”联用技术以及其独有的“氘代标记”和“衬度变换”技术，考察不同配方材料中各组分对硅橡胶性能的影响规律；以及不同体系中分子链构象、白炭黑聚集态及分布、白炭黑/硅橡胶界面结构等信息。通过这一方法研究白炭黑填充硅橡胶体系“外场-微结构-性能”的对应关系和增强机理。本项目对于为加工参数提供理论依据，以及为硅橡胶体系长期可靠性提供数据支撑有潜在价值。

硅橡胶纳米填充增强机理是控制和提高硅橡胶材料性能的核心问题之一。填料-高分子界面特性对增强效果有极其重要的影响。准确鉴别硅橡胶体系中特定链结构的构象，几百纳米到微米尺度的纳米粒子聚集态网络，高分子基体和填充粒子以及二者界面层组成的多相体系等特性是把握硅橡胶体系的动态和长期服役行为的重要信息。本项目依托于“中国绵阳研究堆”中子散射科研平台，以中子小角散射技术（SANS）为主要研究手段，利用中子对同位素的分辨能力以及SANS独有的“氘代标记”和“衬度变换”技术开展相关问题的研究。成功建立了 “流变-小角中子散射”联用技术，并利用该技术系统考察不同配方材料中白炭黑聚集态及分布、白炭黑/硅橡胶界面结构等信息。并与硅橡胶性能的影响规律关联、通过这一方法研究白炭黑填充硅橡胶体系“外场-微结构-性能”的对应关系和增强机理。主要研究结果：（1）利用衬度变换SANS技术将聚合物基纳米复合材料的结构解耦和的方法。SANS结果提供了复合材料的多层级结构信息，并且明确地显示了一个厚度约为8.5 nm的结合胶层的存在。（2）结合流变，SANS技术和电镜技术，我们研究了最优填料比的硅橡胶中宏观力学性能和微观结构的对应关系。一个之间的40~50 phr (每百份生胶中的填料份数)的最优填料含量区间被发现。在这一条件下材料体现了最优的力学增强性能。在形貌上，聚集体的的尺寸和胶基体间隙的尺寸是相当的，都是60 nm左右。总体说来，在本项目的支持下，对硅橡胶材料“宏观性能-微观结构”关联上获得了系列认识，并在复合材料配方优化过程中提供了支撑信息。项目成果具体应用在了中国工程物理研究院化工材料研究所新型复合材料配方设计过程中。