高填充纳米粒子/橡胶体系的形态结构与流变行为

The rheological behaviors and morphological structures of high-filled nanoparticle/rubber series were investigated mainly by using rheology and a combination of other advancing testing methods (low angle X-Ray Diffraction, nuclear magnetism resonance, transmission electron microscopy, etc.) in this application, especially the influence mechanism of the high-filled nanoparticles (network) on the terminal region viscoelasticity and molecular relaxation behaviors of rubbers. On that basis, a filler network structure model which involve with all factor and clear physical image was developed and established. And the dependency relationship between network structural parameters and surface, structural, size, volume fraction of particle and rubber matrix was also determined. Multilayer or multiscale descriptions of the morphological structure and property can realize structural control and optimization of property for high-filled nanoparticle/rubber series. This research is one of the most attractive fundamental theoretical questions, which is closely related to many rheological behaviors of nano-fillers reinforced rubber. The research is the necessary basing on resolving the relationship between the structure and properties reinforced elastomer material and guiding the future accuracy design of rubber formula. Hence, the result of this application will play an important role in further expending the study fields with great theory significance and actual value, which is favored to achieve innovation and highly academic value.

本项目拟主要采用流变学方法，结合小角X-衍射、核磁共振、透射电子显微镜等其他测试方法，研究高填充纳米粒子/橡胶体系的流变行为，揭示体系形态结构，特别是高填充纳米粒子网络对终端流动区黏弹特性及橡胶分子弛豫行为的影响机理，发展和建立一个涵盖因素尽可能全面、物理图像尽可能清晰的粒子网络结构模型，确定网络结构参量与粒子的表面性质、结构性、粒径、体积分数、橡胶基体性质等之间的依赖关系，从多尺度、多层次角度描述纳米粒子高填充橡胶体系/形态结构与性能的关系，实现对纳米粒子高填充橡胶体系的结构控制及性能优化。本项目的研究内容是当今橡胶科学与工程领域最为关注和根本性的理论问题之一，既是解析增强高填充橡胶材料结构与性能间关系所必须依赖的基础，也是橡胶配方精确设计所不可或缺的理论指导。本项目的实施，有利于我国进一步参与到这一理论意义与实际价值并重的领域，力图为我国在国际相关领域获得高水平的创新性成果做出贡献。

纳米粒子改性显著影响高分子材料的流变、加工与黏弹性。本研究针对国际上界面结构研究与调控难度大、流变行为研究结论分歧大、流变-加工性能关联难度大等问题开展了系统深入的工作，在建立流变-量热分析-介电谱等多技术结合检测纳米粒子吸附层结构、高分子纳米复合材料逾渗机制、线性流变时间-浓度叠加原理等方面取得一系列突破。首次阐明基体分子量、界面相互作用、粒子含量和频率等因素对纳米复合材料补强和耗散行为的影响，突破了传统模型仅可描述补强而不能解释滞后行为的局限性；根据该原理探讨了纳米粒子含量对高分子本体相终端松弛时间、应变放大因子、粒子相特征模量参数与松弛指数的影响。基于应变放大效应与本体相高分子弛豫变慢效应，提出分解基体受限动力学、纳米粒子网络效应的正确方法，揭示了纳米复合材料及其粒子相黏弹性的时间-浓度叠加原理。此外，还研究了填料形状系数橡胶材料的裂纹扩展行为、偶联剂等预处理剂在纳米颗粒/聚合物复合材料中的影响；采用联合原子分子动力学模拟方法，研究了石墨烯在顺-1, 4-聚丁二烯中的插层或堆叠的两种堆积方式对复合材料力学性能的影响；用荧光素改性层状双金属氢氧化物在线研究了橡胶拉伸过程中粒子团聚体的变化。这些基本原理的研究和发现，既为纳米复合材料中高分子动力学行为研究提供了重要、可靠的补充性方法，也为深入研究高分子纳米复合材料补强、耗散行为奠定了坚实的基础，为重新认识高分子纳米复合材料流变行为机理和制备高弹性低损耗纳米复合材料提供了理论依据。本项目共发表SCI收录学术论文73篇，授权专利3项，参加国内学术会议20人次，国际学术会议10人次，培养博士生5名，硕士生13名。