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[00630416]二烯类橡胶及聚碳酸酯材料的老化性能分析及分子模拟

交易价格: 面议

类型: 非专利

交易方式: 资料待完善

联系人: 北京化工大学

所在地:北京北京市

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技术详细介绍

  橡塑材料具有诸多优于传统材料的性能,被广泛的应用于国民经济建设的各个领域。然而橡塑材料的不饱和分子链结构使其易受环境因素(如温度、应力、氧)的影响发生老化失效,因此研究橡塑材料在不同环境下的老化机理和老化性能有着重要的现实意义。对于航天及汽车等领域用到的密封材料二烯类橡胶而言,应力和臭氧对其密封性能有较大的影响;对于航天及汽车等领域用到的光学材料聚碳酸酯(PC)而言,加工工艺对其热力学和光学性能也有较大影响。材料学院吴丝竹课题组从微观结构到宏观性能的多尺度分析是研究橡塑材料老化的关键。橡塑材料在服役过程中会受到诸多因素的影响,只有研究多种老化因子的协同作用才能建立合理的老化预测模型。此外,本技术开发表明,橡塑材料的成型工艺也会影响其老化行为。因此,本技术重点研究了橡塑材料的老化行为、老化机理及老化模型,同时结合较新颖的分子模拟方法探索了材料微观结构变化与材料性能之间的关系。

  本论文的研究内容分四个部分:

  (1)二烯类橡胶中典型的代表材料,天然橡胶(NR)、顺丁橡胶(BR)和氯丁橡胶(CR),由于其分子链含有孤立双键,在臭氧或121受力状态时均会加速老化。因此,我们设计了不同应力、臭氧浓度和老化时间对橡胶性能影响的加速老化实验。首先,通过硬度、正电子湮灭和扫描电镜测试分析了不同老化因素对三种橡胶的热力学及形貌等宏观性能的影响。结果表明,CR的耐臭氧老化性能较好,并且老化裂纹的增长方向与材料受力方向垂直。值得关注的发现是,较低的压缩形变(形变范围:20%-35%)加速了橡胶的老化。随后采用核磁交联密度、X射线光电子能谱和二维变换红外相关分析测试分析橡胶老化交联网络及基团的化学变化。结果表明,橡胶的老化过程中分子链断裂和交联反应均有发生,并且羰基的生成速率要快于臭氧化物的生成速率。这说明二烯类橡胶的臭氧老化过程以断链反应为主。最后,通过分子模拟方法定量研究了臭氧分子在受力的橡胶体系中的渗透行为以及橡胶体系内部微观环境特点。分子模拟结果表明,CR分子链含有极性侧基,与臭氧分子的作用力较大,臭氧分子在材料中的渗透性削弱,而应力使压缩形变增加导致橡胶自由体积分数降低,分子链运动能力减弱,臭氧分子在橡胶中的渗透能力降低,最终削弱了其对橡胶网络的破坏。

  (2)橡胶材料在服役过程中的老化受多种环境因素协同作用,且物理老化和化学老化同时存在。因此,我们通过引入人工神经网络技术研究二烯类橡胶的多因素老化规律。基于大量的老化实验数据建立径向基函数(RBF)神经网络,采用正则化的方法优化模型。对比实验数据与预测数据发现,RBF老化模型的预测精度超过98%。建立的RBF老化模型不仅可以用来研究物理老化和化学老化对松弛性能的影响,而且可以预测橡胶的使用寿命。引入灵敏度分析方法,可定量预测应力、臭氧浓度、老化时间和橡胶种类对橡胶应力松弛性能的影响。

  (3)基于之前对二烯类橡胶材料的老化研究,对同样应用于航天及汽车行业并且在加工成型中易发生老化的PC材料也进行了研究,通过实验与分子模拟相结合的方法探索了不同PC的微观结构与加工性能、热力学性能之间的关系。结果表明,牌号为OQ2720的PC有着适中的加工流动性,较高的拉伸和剪切模量,较低的体积模量,这是因为OQ2720含有较多的苯环,分子间较强的作用力所致,实验与模拟结果有很好的吻合性。聚碳酸酯材料的成型温度较高且塑化时间较长,因此,我们研究了注压成型加工中成型温度和塑化时间对不同聚碳酸酯材料的分子量、力学性能和光学性能的影响。结果表明,在300℃的塑化温度下,三种PC的的屈服强度随着塑化时间的增加变化不大,冲击强度随着塑化时间的增加而迅速降低,最后趋于平缓。分子量与透光率均随着塑化时间和塑化温度的增加而降低,而OQ2720的分子量降低最小,保持了较高的透光率。最后,通过研究不同PC的热降解动力学发现,OQ2720因其分子结构特点有着较高的半分解温度和热降解活化能,其热稳定性较好。

  (4)基于对PC材料的老化性能的分析可知:成型温度和塑化时间影响PC的性能,不合理的成型工艺会造成PC的老化热降解。

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