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摘要：纳米复合材料是当今材料科学研究的热点领域之一。与原始聚合物相比，有机粘土以单片层形式存在于橡胶基体中，能够很大程度地提高聚合物的综合性能。本课题采用无机粘土，以十六烷三甲基溴化铵（CTAB）和十二烷基磺酸钠（SDS）为改性剂，制备有机粘土，并用无水乙醇，正丁醇，丙烯酸为膨胀剂对制备好的有机粘土进行预膨胀，通过改变不同膨胀剂及不同用量制备粘土/SBR纳米复合材料，并且对其力学性能和微观结构进行表征。实验结果表明，该制备方法相比于熔体法，更容易获得微观相态结构与力学性能优异的纳米复合材料，说明了新型制备方法的可行性和优越性。其中，以正丁醇为膨胀剂制备的粘土/SBR纳米复合材料性能比用无水乙醇和丙烯酸制备的好。且正丁醇占有机粘土质量分数为30%的性能最好，拉伸强度达到3.5 MPa，撕裂强度达到了13.7 N/mm，相比于熔体法的1.4 MPa和12.8N/mm性能分别提升了153%和7.8%。预膨胀法制备粘土/SBR纳米复合材料主要是在用阴阳离子改性粘土的同时，通过小分子有机溶剂对粘土实现预膨胀，粘土晶层间距进一步扩大，使橡胶大分子更容易插层进入粘土层间，获得粘土片层在橡胶基中分散更为精细的相态结构，从而提高复合材料的力学性能。
关键词： 无机粘土，十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基磺酸钠， 预膨胀法，粘土/SBR纳米复合材料
目 录
1. 前言 1
1.1 无机粘土 1
1.1.1 粘土的结构 1
1.1.2 粘土的性能 2
1.1.3 发展现状 3
1.1.4 粘土的表面改性 4
1.2 丁苯橡胶 5
1.2.1 丁苯橡胶的结构 5
1.2.2 丁苯橡胶的性能 5
1.2.3 丁苯橡胶合成技术进展 6
1.3 橡胶/粘土纳米复合材料 7
1.3.1 橡胶/粘土纳米复合材料的制备方法 7
1.3.2 橡胶/粘土纳米复合材料的结构 7
1.3.3 橡胶/粘土纳米复合材料的性能 9
1.4.4 橡胶/粘土纳米复合材料的插层理论分析 9
1.3.5 橡胶/粘土纳米复合材料的表征技术 10
1.3.6 橡胶/粘土纳米复合材料的研究进展 11
1.4 本课题研究的主要内容 11
1.5 本课题研究的目的及意义 12
2. 实验部分 13
2.1 实验原材料及基本配方 13
2.1.1 实验原材料 13
2.1.2 SBR基本配方 14
2.1.3 预膨胀粘土基本配方 14
2.2 实验设备及测试仪器 15
2.3 试验工艺 15
2.3.1 无机粘土的有机化处理和预膨胀 15
2.3.2 橡胶/粘土纳米复合材料的制备 16
2.3.3 粘土/SBR纳米复合材料混炼工艺流程图 16
2.4 实验测试方法 17
3 实验结果与讨论 18
3.1无机粘土、改性有机土的FTIR表征 18
3.2 粘土/SBR纳米复合材料的力学性能分析 19
3.2.1 无水乙醇为膨胀剂制备的粘土/SBR纳米复合材料的力学性能 19
3.2.2 正丁醇为膨胀剂制备的粘土/SBR纳米复合材料的力学性能 21
3.2.3 丙烯酸为膨胀剂制备的粘土/SBR纳米复合材料的力学性能 22
3.2.4 不同预膨胀剂制备的粘土/SBR纳米复合材料的力学性能比较 24
3.3 微观结构的XRD表征 25
3.3.1 有机粘土与用正丁醇预膨胀有机粘土的XRD表征 26
3.3.2 预膨胀土与粘土/SBR纳米复合材料的XRD表征; 27
3.3.3 不同预膨胀剂制备的粘土/SBR纳米复合材料的XRD表征 28
4. 结论 31
参考文献 32
致谢 35
本课题研究的主要内容
采用预膨胀法制备有机改性粘土/SBR纳米复合材料，即先将无机粘土的有机化改性，然后用有机溶剂小分子预膨胀粘土片层，以期控制处理过程工艺参数，简化制备生产工序，提高纳米复合材料的综合性能。
（1）控制工艺参数，采用十六烷基三甲基溴化铵与阴离子改性无机粘土；
（2）控制工艺参数，采用丙烯酸、无水乙醇、正丁醇处理复配改性土；
（3）各种复合材料的制备、性能测试与结构表征。
1.5 本课题研究的目的及意义
确定并优化出制备有机粘土/橡胶纳米复合材料的技术路线，考察不同处理工艺过程制备的有机改性粘土的晶层间距与橡胶/粘土纳米复合材料性能的对应关系，呈现材料微观结构与性能的内在规律，指导橡胶基复合材料的工业化应用。
由粘土补强的橡胶制备的性能优于或接近于传统的橡胶补强材料炭黑，又有原材料丰富、价格低廉、节约能源等优点，是一种环保型“绿色填料”[43]。这为污染严重的原料油供应不足，并日趋紧张和短缺的炭黑填料提供了新的途径。近年来国内外在粘土矿物填料方面的研究发展较为迅速，我国应在立足粘土复合材料的优化和改进的同时，大力开展聚合物/粘土纳米复合材料制备技术、工艺路线、生产设备和理论方面，如补强机理、界面作用强度和机制、复合材料的应变特性与结构的关系、加工流变特性、稳定性与结构的关系等的研究工作，具有重大而深远的意义。
橡胶作为一种重要的材料己有较长的一段发展历史。自从橡胶在工业中开始应用人们就一直致力于橡胶增强模式和机理的研究及相关技术的开发，因为橡胶的自由体积较大，分子间作用力小，缺乏结晶能力，大多数橡胶不经过增强是无法应用的。寻找高效、简便、经济的增强方式和增强剂历来是橡胶科学研究的重点和热点[44]。如能找到合适的增强质，辅以有效的纳米复合技术，获取橡胶基纳米复合材料，在此基础上进行加工，将是橡胶增强技术、橡胶高性能材料、橡胶工业发展的一大突破 。通过对粘土/橡胶基质纳米复合技术及复合材料性能的研究，一方面填补橡胶基纳米复合材料研究这一空白，另一方面力图获得橡胶改性的新方法，获得加工性能和力学性能皆优（还可能具有特种性能）的橡胶材料。橡胶/粘土纳米复合材料的形态结构与界面作用决定了材料的最终性能。
纳米复合技术为橡胶科学提供了一种崭新的研究思路和方法，同时也带来了许多的研究课题，更重要的是给橡胶工业注入了新的活力。发展橡胶纳米填料复合材料，可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与橡胶的韧性、加工性及介电性能完美结合起来，从而获得性能优异的复合材料。
本课题研究的主要内容
采用预膨胀法制备有机改性粘土/SBR纳米复合材料，即先将无机粘土的有机化改性，然后用有机溶剂小分子预膨胀粘土片层，以期控制处理过程工艺参数，简化制备生产工序，提高纳米复合材料的综合性能。
（1）控制工艺参数，采用十六烷基三甲基溴化铵与阴离子改性无机粘土；
（2）控制工艺参数，采用丙烯酸、无水乙醇、正丁醇处理复配改性土；
（3）各种复合材料的制备、性能测试与结构表征。
1.5 本课题研究的目的及意义
确定并优化出制备有机粘土/橡胶纳米复合材料的技术路线，考察不同处理工艺过程制备的有机改性粘土的晶层间距与橡胶/粘土纳米复合材料性能的对应关系，呈现材料微观结构与性能的内在规律，指导橡胶基复合材料的工业化应用。
由粘土补强的橡胶制备的性能优于或接近于传统的橡胶补强材料炭黑，又有原材料丰富、价格低廉、节约能源等优点，是一种环保型“绿色填料”[43]。这为污染严重的原料油供应不足，并日趋紧张和短缺的炭黑填料提供了新的途径。近年来国内外在粘土矿物填料方面的研究发展较为迅速，我国应在立足粘土复合材料的优化和改进的同时，大力开展聚合物/粘土纳米复合材料制备技术、工艺路线、生产设备和理论方面，如补强机理、界面作用强度和机制、复合材料的应变特性与结构的关系、加工流变特性、稳定性与结构的关系等的研究工作，具有重大而深远的意义。
橡胶作为一种重要的材料己有较长的一段发展历史。自从橡胶在工业中开始应用人们就一直致力于橡胶增强模式和机理的研究及相关技术的开发，因为橡胶的自由体积较大，分子间作用力小，缺乏结晶能力，大多数橡胶不经过增强是无法应用的。寻找高效、简便、经济的增强方式和增强剂历来是橡胶科学研究的重点和热点[44]。如能找到合适的增强质，辅以有效的纳米复合技术，获取橡胶基纳米复合材料，在此基础上进行加工，将是橡胶增强技术、橡胶高性能材料、橡胶工业发展的一大突破 。通过对粘土/橡胶基质纳米复合技术及复合材料性能的研究，一方面填补橡胶基纳米复合材料研究这一空白，另一方面力图获得橡胶改性的新方法，获得加工性能和力学性能皆优（还可能具有特种性能）的橡胶材料。橡胶/粘土纳米复合材料的形态结构与界面作用决定了材料的最终性能。
纳米复合技术为橡胶科学提供了一种崭新的研究思路和方法，同时也带来了许多的研究课题，更重要的是给橡胶工业注入了新的活力。发展橡胶纳米填料复合材料，可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与橡胶的韧性、加工性及介电性能完美结合起来，从而获得性能优异的复合材料。
