纳米FeCo/NR复合材料的制备及性能研究

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本文采用液相还原法制备纳米FeCo合金粒子,再将纳米FeCo合金与天然胶乳共混,制备纳米铁钴合金/天然橡胶复合材料(NR/nano-FeCo)。应用MS2000、TEM、SAED、XRD、VSM、SEM、TG/DTG、DSC和力学性能测定方法对纳米FeCo合金粒子的粒径、粒度分布、结构形态、磁性能,纳米FeCo合金在天然橡胶基体中的分散状态、界面状态以及NR/nano-FeCo复合材料的力学性能、耐老化性能、热稳定性和加工性能进行表征。结果表明:采用液相还原法,以硼氢化钠(NaBH4)和L-抗坏血酸(C6H8O6)并用作为还原剂,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂,制备的纳米FeCo合金粒子在50℃真空干燥后,得到的是非晶态纳米FeCo合金。将非晶态纳米FeCo合金在550℃马弗炉中真空加热5h,得到结晶型磁性纳米FeCo合金粒子。纳米FeCo合金分布均一,形貌近似球形,平均粒径约为75nm,抗氧化能力较强,在常温下不易被氧化。合金的饱和磁化强度为56.6emu/g,矫顽力为200e。通过不同的工艺条件制备纳米铁钴合金/天然橡胶复合材料(NR/nano-FeCo),可知当加入纳米FeCo合金含量较少时,乳液共凝法比机械共混法和磁流体共沉淀法分散效果更好;随着纳米FeCo合金含量的增加,磁流体共沉淀法的效果更优。从制备磁性橡胶的角度考虑,磁流体共沉淀法相对乳液共凝法和机械共混法,有效地改善了复合材料的微观结构、力学性能、耐老化性、热稳定性和磁性能。采用乳液共凝法在天然胶乳(NR)中加入不同含量的非晶态纳米FeCo合金,制备得到(非晶态纳米FeCo合金/天然橡胶复合材料(NR/nano-FeCo-a),由于nano-FeCo粒子粒径较小,TEM观察发现非晶态纳米FeCo合金在天然橡胶基体中分散较好,分散粒径达到纳米级。SEM结果表明,非晶态纳米FeCo合金与天然橡胶基体两相界面作用强,相容性好,对NR有明显的补强效果,使复合材料的力学性能得到了提高。热分析结果表明,NR/nano-FeCo-a的热稳定性较NR好,玻璃化转变温度也有所提高,使复合材料的刚性增强。综合力学性能分析结果表明,当非晶态纳米:FeCo合金加入量达0.2phr时,复合材料的拉伸强度就从13.3Mpa提高到17.8Mpa,增加了33.5%;随着纳米FeCo合金粒子填充量的增加,复合材料的力学性能也随之增强。当纳米FeCo合金粒子的填充量为lphr时,复合材料的拉伸强度达到21.9Mpa,比NR提高了63.9%。而撕裂强度为34.6kN·m-1,比NR提高了21.9%。再继续增加非晶态纳米FeCo合金含量,力学性能有所降低。复合材料热空气老化后的力学性能相对NR有所增强。采用磁流体共沉淀法制备结晶型磁性纳米FeCo合金天然橡胶复合材料(NR/nano-FeCo-c), TEM结果表明,结晶型纳米FeCo合金粒子在天然橡胶基体中的粒径在100 nm左右,且分散均匀。SEM结果表明,复合材料硫化胶的拉伸断面聚集体较少,产生了很多的剪切变形,结晶型纳米FeCo合金与橡胶基体的相容性较好,改善了两相的界面作用,使复合材料的力学性能得到提高。热分析结果表明,随着结晶型纳米FeCo合金含量的增加,NR/nano-FeCo-c的热稳定性和玻璃化转变温度都比NR高。综合力学性能分析结果表明,同NR/nano-FeCo-a相似,纳米粒子的加入可提高NR的力学性能和热老化性能。磁性能分析结果表明,复合材料的磁性主要来源于结晶型纳米FeCo合金,填充的FeCo粒子越多,复合材料的磁性能越强,当结晶型纳米FeCo合金用量达到20phr时,复合材料的饱和磁化强度13.1erau/g,矫顽力为2500 Oe。
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