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实验和分子模拟法对石墨烯修饰及溶聚丁苯橡胶复合材料的设计与制备研究

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实验和分子模拟法对石墨烯修饰及溶聚丁苯橡胶复合材料的设 计与制备研究
溶聚丁苯橡胶(SSBR)由于滚动阻力小、抗湿滑性能优异等特点,常应用于轮 胎工业、制鞋业等,尤其在绿色轮胎、防滑轮胎等高性能轮胎中有广泛应用。为 了满足生产和生活中对 SSBR 更高性能的要求,开发高性能 SSBR 复合材料具有重 要的现实意义。
对于填料填充的 SSBR 复合材料,填料-橡胶相互作用及填料分散是影响复合 材料性能的两个关键因素。此外,如何提高极性填料如白炭黑(Silica)、氧化石 墨烯(GO)与非极性 SSBR 之间的相容性也一直是研究的重点。
本课题从 SSBR 分子结构设计和填料改性的角度出发,通过实验和分子动力 学模拟方法首先研究了未改性的、星型的、链中改性、不同乙烯基含量的 SSBR 对白炭黑、石墨烯填料的分散及相互作用的影响规律;然后研究了表面改性的石 墨烯溶度参数变化及机理、石墨烯与 SSBR 相容性机理、氧化石墨烯接枝疏水基 团对复合材料结构与性能的影响,以期为高性能 SSBR 复合材料的开发提供技术 思路和理论基础。具体内容分为以下四个部分:(1)从分子结构设计的角度出发, 采用分子动力学模拟研究了 3-巯基丙酸链中改性、星型的 SSBR 对白炭黑/SSBR 复合材料体系的动态特性、填料-橡胶相互作用、填料分散的影响。
此外,还研究了不同改性剂含量对结果的影响。通过复合材料的结合能、均 方位移(MSD)、玻璃化温度(Tg)、径向分布函数(RDF)等参数计算发现:链中改性 剂并不是越多越好,而是存在一个最佳的改性剂含量如本体系的为 14.2 wt%,此 时分子链自扩散系数最低、填料和橡胶的结合能最高、填料分散最好。
白炭黑和橡胶之间的氢键、3-巯基丙酸的空间位阻、橡胶-橡胶相互作用的

竞争是导致存在最佳改性剂含量的原因。此外,研究也发现对于星型 SSBR,白炭 黑和橡胶有较强的相互作用,白炭黑能均匀地分散。
因此,星型 SSBR 也是一种较优的结构,但是相对于改性剂含量为 14.2 wt%时 的 SSBR 差。将模拟的结果与实验结果进行了对比,发现有很好的一致性。
(2)以苯乙烯含量相同、乙烯基含量不同的三种 SSBR 作为基体制备了石墨烯 /SSBR 复合材料。采用实验和分子动力学模拟相结合的方法研究了乙烯基含量对 复合材料动态特性、界面结合特性、自由体积分数(FFV)的影响。
研究发现,随着乙烯基含量的提高,石墨烯与 SSBR 相互作用提高,FFV 减小, 石墨烯分散程度提高;石墨烯和 SSBR 的界面作用限制了橡胶分子链的运动,提高 了分子链的运动活化能。此外,为了在分子水*上揭示石墨烯和 SSBR 的界面结合 特性,模拟了石墨烯从 SSBR 基体中拔出(pullout)的过程,其结果表明,乙烯基含 量的增加,相互作用能(interaction energy)、拔出能(pullout energy)、剪切 力(shear stress)增加,而界面结合能(interfacial bonding energy)在拔出过 程中几乎不变。
该研究加深了人们对石墨烯增强橡胶的基本物理过程的了解,尤其是在分子 水*上的填料和橡胶界面的结合机理。(3)石墨烯和 SBR 的相容性问题是影响石 墨烯/SBR 复合材料最终性能的基本问题。
判断不同组分的相容性最直接的方法是比较其溶度参数。对于两组分体系, 溶度参数越相*越好。
对此,通过分子动力学模拟,研究了层数、缺陷、官能团对石墨烯溶度参数的 影响。我们将实验中的三组分 Hansen 溶度参数简化为模拟中的双组分溶度参数, 并计算了羟基、羧基、胺基、环氧、甲基功能化石墨烯的双组分溶度参数。

除了研究单一官能团对溶度参数的影响,对多官能团对溶度参数的协同效应 也进行了探讨。此外,不同官能团、接枝率对石墨烯和 SBR 相容性影响各异。
研究发现,缺陷和官能团对石墨烯溶度参数有显著的影响,而层数对溶度参 数的影响较小。在一定的接枝率时,多官能团的修饰相比于单官能团的修饰更能 降低石墨烯的溶度参数。
此结果表明双组分溶度参数可用于石墨烯和 SBR 的相容性的深入研究。(4) 在以上研究的基础上发现:接枝烷烃基团相比于其他极性基团能更大程度地降低 石墨烯溶度参数,从而使石墨烯溶度参数更接* SSBR 的溶度参数。
对此,我们通过点击化学的方法制备了不同碳链长度的烷基硫醇分子改性的 GO(CxGO),并且通过溶液共混的方法制备了 CxGO/SSBR 复合材料,采用实验和分 子动力学模拟研究了复合材料微观结构和性能的关系。微观结构分析表明正庚硫 醇改性的 GO(C7GO)/SSBR 复合材料有最小的 FFV 和最低的分子链运动能力;正十 八硫醇改性的 GO(C18GO)/SSBR 复合材料有最大的结合能。
此外,CxGO 体系相比于 GO 的体系,其热性能、气体阻隔性能、动态、静态力 学性能均有所提高,并且随着接枝碳链长度的增加,复合材料性能更加完善。该研 究为高性能 GO/SSBR 复合材料的设计和制造提供了基础。




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