聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合材料结构与机械性能分子动力学模拟

利用多尺度建模方法构建了聚酰亚胺/钽铌酸钾纳米颗粒复合物模型, 通过分子动力学模拟研究了不同尺寸钽铌酸钾纳米颗粒(5.5, 8.0, 9.4, 10.5, 11.5 Å)对复合材料的结构、弹性模量和相互作用能的影响规律, 并通过计算纳米颗粒表面原子键能和单位表面积原子数目探究了复合物机械性能提高的内部机理. 聚酰亚胺和聚酰亚胺/钽铌酸钾复合材料的杨氏模量分别为2.91和3.17 GPa, 泊松比分别为0.37和0.35, 钽铌酸钾纳米颗粒的引入可以显著改善聚酰亚胺的机械性能. 纳米颗粒表面原子的键能为8.62-54.37 kJ·mol^-1, 表明颗粒与基体主要通过范德华力作用结合且有氢键存在. 计算结果表明, 相同掺杂比例下, 纳米颗粒尺寸越小, 纳米颗粒表面原子数目越大, 颗粒与基体作用更强, 杨氏模量的提高幅度越大, 尺寸效应越显著. 因此, 掺杂小尺寸纳米颗粒是提高聚酰亚胺机械性能的有效途径.     

异戊橡胶中填料的絮凝及其对性能的影响

针对硫化过程对异戊橡胶中的填料絮凝及其性能的影响等问题, 通过改变硫化温度和硫化时间, 对比研究了炭黑、 白炭黑、 炭黑/白炭黑混合填料体系中的填料絮凝过程, 比较其动、 静态性能等的变化. 为了分析交联网络在填料絮凝过程中的贡献, 对比了工艺相同的含硫与不含硫胶料在不同温度和时间下的絮凝过程. 在含硫体系中, 佩恩效应主要来自于填料网络和橡胶网络的贡献; 而在不含硫体系中, 佩恩效应主要来自于填料网络的贡献. 研究结果表明, 橡胶网络的形成在一定程度上限制了填料的絮凝, 因此, 随温度升高, 含硫体系的佩恩效应减小, 而无硫体系的佩恩效应逐渐增加或先减小后增加. 随时间延长, 含硫胶料和无硫胶料的佩恩效应均增加, 但机制有所不同. 其中含硫胶料主要来自于交联网络的形成, 而无硫胶料主要来自于填料的絮凝. 絮凝动力学研究表明, 快速絮凝发生在较短的时间范围内, 在长时间范围内絮凝开始变慢但并不会停止, 且在较低温度(60 ℃)下絮凝仍会发生. 此外, 高温和长时间热处理导致材料的拉伸性能出现下降, 但动态疲劳性能有所增强.     

炭黑N134在不同橡胶基体中的分散及其混炼工艺调控

以炭黑N134作为填料,对比了异戊橡胶、丁苯橡胶及仿生橡胶3种体系下混炼工艺对硫化胶性能的影响,并针对仿生橡胶体系炭黑分散度低的问题,对混炼工艺进一步优化,从而提高分散度和动静态性能.结果表明,在所研究的密炼时间范围内,随着密炼时间的延长,异戊橡胶体系和丁苯橡胶体系的分散等级由原本的1级左右提升至6级以上.但延长密炼时间并未明显提升仿生橡胶体系的炭黑分散度.针对该问题引入塑炼和包辊工艺,仿生橡胶炭黑分散性明显提高.随炭黑分散等级的增加, 3种橡胶体系的伸张疲劳性能均得到了较大改善.其中仿生橡胶生胶经塑炼后,门尼黏度和重均分子量均明显下降,表明塑炼对于增强胶料的加工性能有明显作用.相同炭黑混炼时间下,随着塑炼时间的延长,硫化胶佩恩效应也增强,这主要是由于炭黑分散程度的提高使得炭黑与橡胶基体的有效接触面积增加,进而在一定程度上增加了界面结合胶的含量.     

炭黑在异戊橡胶中的分散及其对动静态性能的影响北大核心CSCD

橡胶在使用时往往需要在生胶中加入填料颗粒以提高其力学强度,填料在橡胶中的分散状态对其使用性能有显著影响。为了明晰填料分散状态对橡胶动静态性能的影响规律,设计了不同的胶料混炼工艺,进而获得具有不同分散程度的橡胶材料,并对其分散等级、颗粒聚集体尺寸分布、胶料硫化性质、橡胶拉伸以及疲劳等性质进行了系统研究。结果表明,在所研究的密炼时间4~16 min范围内,随着密炼时间的延长,填料在基体中的分散度等级有较大程度的提高,密炼时间为16 min时填料分散等级达到了8.1级,胶料的门尼粘度下降显著,但胶料的拉伸性能变化不明显,而动态疲劳性能得以显著改善。随着开炼包辊时间的延长,填料在基体中的分散度等级呈先升高后降低的趋势,橡胶的动态疲劳性能也先升高后降低,当开炼包辊时间为20 min时,硫化胶的伸张疲劳寿命达到4×10~4次,继续延长包辊时间硫化胶的伸张疲劳寿命下降至2.3×10~4次;但是胶料整体的拉伸性能变化不明显。由此可见,通过调整混炼工艺可以改善填料在橡胶基体中的分散状态,进而提高胶料的疲劳性能。     

Formation of Network by Carbon Black，Silica and Their Mixing Fillers in Isoprene Rubber北大核心CSCD

The network formed by fillers has great influence on the mechanical properties of rubber materials. To understand the formation of network by carbon black,silica,and carbon black/silica mixing fillers in rubber and its influence on the properties of rubber,isoprene rubber/filler composites with different filler loadings are prepared and their micromorphology,rheological and tensile properties are investigated. It is found that the dispersion of fillers is better in rubber after cure than that in rubber before cure for all three rubber systems,and the filler size of silica is smaller than that of carbon black,but the aggregation is more severe in silica filled rubber system. In mixed filler system,the two fillers tend to aggregate separately, leading to the low modulus at small strain than that in single filler system. With the increase of the filler loading,the tensile strength increases first and then decreases,the elongation at break decreases,and the temperature rise in compression flexometer tests increases. Moreover,the temperature rise in mixed filler system is higher than that in single filler system at high filler loading. © 2022, Science Press (China). All rights reserved.     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.