酸处理碳纳米管对硅橡胶热稳定性的影响及机理探究

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硅橡胶(Silicone rubber,SR)作为特种合成橡胶中的重要一员,具有很多优良的性能。其中,热稳定性是具有突出应用价值的一点,这也使其被广泛运用于高温环境下。但是随着科学技术水平的不断发展,硅橡胶及其传统的配合体系已经无法满足越来越严苛的高温使用需求,而与其它材料进行复合有望进一步提高其力学性能和热学性能,这也成为了硅橡胶基复合材料性能提升的主要探索方向。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)具有独特的结构和性能,研究表明CNTs能够提高硅橡胶的耐热性能。本论文采用酸氧化的方法将羧基官能团修饰到CNTs粒子表面,通过控制酸化反应时间制备得到不同酸化程度的碳纳米管粒子。采用拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)、热失重(TGA)、X射线光电子能谱(XPS)等一系列手段表征粒子表面状态。再将聚甲基乙烯基硅橡胶生胶与不同酸化程度的CNTs粒子复合,制备CNTs/SR复合材料。通过热失重分析表征复合材料在不同环境下的热降解过程,并对所制备的复合材料高温老化前后的力学性能进行测试。实验结果表明:CNTs是一种优异的硅橡胶耐热添加剂,在氩气和空气下都有良好的提高硅橡胶耐热性的作用,其中石墨化的CNTs在无氧环境下对SR的耐热性能提升最大,而羧基化CNTs在有氧环境下有较好的耐热提升作用。CNTs也能提高复合材料试样老化前后的力学性能。通过测定老化前后橡胶试样交联点间平均分子量,以及测定复合材料在降解过程中降解产物小分子的变化,来分析复合材料的老化过程。实验结果表明:有氧条件下,CNTs的加入,尤其是羧基含量较高的CNTs能够有效抑制硅橡胶的氧化交联反应,其原因可能是羧基化CNTs与基体的界面相互作用较强,以及在基体之中良好的分散使得CNTs能够充分地发挥其自由基捕捉能力。无氧条件下,CNTs的加入使得复合材料降解产物的初始逸出温度和反应放热峰都向高温方向发生偏移,其中石墨化CNTs对降解反应发生的推迟效果最为明显,这可能是由于其规整的石墨化结构有利于热的传导,避免了体系的局部过热,使得复合材料的降解反应极大地推迟。
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