新型石墨烯基纳米双相掺杂填料增强橡胶复合材料性能与结构及界面相互作用机理研究

The distribution of nano-fillers in rubber matrix is one of most important factors which influence the properties of composites. The multiphase hybrid fillers could weaken the strong attractive force between single nano-fillers and promote the distribution of nano-fillers in the matrix. The hybrid fillers can not only retain advantages of single fillers, but also exhibit some synergistic effects in polymers due to the cooperative interactions at nanoscale. This project aims to explore structure, properties and interphase of rubber composites filled with novel graphene-based hybrid fillers. The controllable preparation of novel graphene-based hybrid fillers, the preparation method of rubber blends with homogeneous distribution of nano-fillers, the influence of the hybrid fillers on the mechanical properties of rubber vulcanizates will be studied. On this base, the relationships among the structure of the filler, interphase interaction, distribution of fillers and mechanical properties of the rubber vulcanizates will be studied using theoretical models and finite element method (FEM).?This study could provide innovation research ideas and theoretical guidance for the preparation and application of high performance rubber composites, and be desirable for the development of high performance tires and novel functiona rubber materials.

纳米填料在橡胶基体中的分散对于复合材料的性能有至关重要的作用。利用纳米颗粒的掺杂技术，消弱同种纳米粒子间的强吸附，是一种使纳米粉体在橡胶基体中呈纳米分散的行之有效的方法之一。通过不同纳米填料的相互复合，同时发挥不同纳米填料各自的作用及协同作用，使材料的综合性能有显著提高。本项目拟制备新型石墨烯基纳米双相掺杂填料，并引入橡胶硫化胶中，系统研究材料的性能、界面作用和结构形态。研究复合填料的制备及橡胶复合材料的加工方法，实现石墨烯在橡胶基体中的均匀分散，研究这些新型复合填料对橡胶力学性能及导电性能、气密性能等特殊性能的影响，在此基础上探讨不同填料的协同作用，研究填料结构、界面作用、填料分散性与橡胶复合材料性能的关系，建立相应的理论模型。在理论上阐明相关机理，为高性能橡胶纳米复合材料的制备及应用提供新的研究思路和理论指导，寻求该橡胶纳米复合材料在高性能轮胎和新型功能化橡胶材料中的实际应用。

石墨烯/聚合物复合材料的性能受石墨烯在聚合物基体中的分散状态和石墨烯与聚合物基体之间的相互作用力两个关键因素影响。石墨烯的分散状态很大程度上依赖于复合材料的制备方法。在本项目中，我们主要研究了氧化石墨烯的制备、氧化石墨烯/聚合物复合材料的制备与性能以及石墨烯-炭黑杂化填料的制备与应用。首先探索了糊状十八烷基胺（ODA）改性GO/丁苯橡胶(SBR)复合材料的制备与性能。通过ODA改性GO，提高了GO在SBR中的分散，但同时也降低了GO与SBR之间的界面相互作用力；与GO/SBR复合材料相比，GO-ODA/SBR复合材料的定伸应力更低，但拉伸强度和断裂伸长率更高。在GO-ODA/SBR复合材料中，随着GO-ODA含量的增加，复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、100%和300%定伸应力同时提高。然后尝试利用GO的两亲特性，将其加入PA6/PS的共混体系，提高了PA6和PS的相容性。研究证明少量的GO即可达到良好的增容效果，添加GO后共混物材料的拉伸性能和韧性明显提高。本研究主要制备了炭黑（CB）-还原氧化石墨烯（RG）杂化填料并将其与SBR通过传统橡胶机械共混的方式得到石墨烯/SBR纳米复合材料。采用对苯二胺在CB/GO水悬浮液中原位还原GO，得到CB-RG杂化填料。沉积在RG表面上的CB能够在一定程度上抑制RG片层的堆叠。在SBR/CB-RG复合材料中，RG均匀分散在SBR中。与SBR/CB相比，SBR/CB-RG的玻璃化转变温度更高，说明RG与SBR之间的相互作用力更强。与SBR/CB相比，SBR/CB-RG复合材料的拉伸性能更好，体积电阻率更低，热稳定性更高。将CB-RG杂化填料通过简单机械共混的方式应用到橡胶材料中，扩展了石墨烯在制备功能化橡胶材料和增强橡胶材料中的工业化应用前景。