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有机小分子/极性橡胶杂化材料因具有优异的阻尼性能,在建筑工业、交通运输业和现代航空航天工业等领域具有广阔的应用前景。对这类材料阻尼机理的深入研究具有重要的意义。本课题选用有机小分子/丁腈橡胶杂化材料,结合实验测试表征、多尺度分子模拟法及相关性分析的数学分析手段确定了影响阻尼性能因素的关键因素,从氢键解离反应热力学和动力学理论出发,定量研究分析了这类材料的阻尼机理。具体研究内容分为以下四个部分:(1)通过对不同受阻酚Irganox-1035/NBR质量比的杂化材料进行动态力学分析(DMTA),获得了表征阻尼性能的四个主要参数,即最大阻尼因子值(tanδmax)、有效阻尼峰面积(TA(tanδ>0.3))、玻璃化转变温度(Tg)和有效阻尼温域(ΔT(tanδ>0.3));采用分子动力学(MD)方法计算出分子间相互作用诸参数,包括氢键(HBs)类型和浓度(CHBs)、结合能(Ebinding)及自由体积分数(FFV);通过灰色关联度分析和线性回归法研究了影响阻尼参数因素的优先级及二者的内在联系。结果表明,分子间氢键浓度(CHBs(A)对阻尼性能的影响最为显著;CHBs(A)、Ebinding与tanrmax、TA均呈线性相关(R2>0.9)。经均值化处理并以 C’HBs(A)和E’binding 作为自变量、以tanδ’max和TA’为因变量建立了多元线性拟合方程,其相关系数的平方(R2)分别可达0.994和0.996。(2)以(1)的研究内容为基础,探究了影响AO-80/NBR杂化材料阻尼性能的因素的优先级问题,结果表明CHBs(A)是影响这类材料阻尼性能的首要因素;采用量子力学(QM)模拟计算了体系内各类氢键缔合二聚体(HBD)解离反应的热力学参数,包括标准摩尔反应焓(ΔHΘ)、标准摩尔反应吉布斯自由能(AGΘ)、平衡常数(lnKΘ)和dlnKΘ/dT。AO-80/NBR体系中分子间HBD解离反应具有最高的ΔHΘ和dlnKΘ/dT以及最低的lnKΘ。根据解离反应热力学理论可得出:因分子间氢键解离造成的能量损失远高于分子内氢键,这是CHBs(A)对阻尼性能影响显著的根本原因。(3)以(2)的研究内容为基础,对比分析三种受阻酚AO-60、AO-70和AO-80与NBR体系的分子间和分子内HBD解离反应的lnKΘ。结果表明,AO-70/NBR和AO-80/NBR体系分子间HBD解离反应lnKΘ较分子内HBD解离反应的lnKΘ值低,可以推测这两个体系中更容易形成分子间氢键,从而具有较高的相稳定性。AO-60/NBR杂化材料在AO-60含量达到一定值时会出现相分离。DSC及SEM实验测试结果与这一理论预测具有很好的一致性。随后对比了三体系分子间HBD解离反应(R(60)、R(70)和R(80))的四大热力学参数。结果表明,当温度大于200 K时,三类解离反应的ΔGΘ均为负值,说明所有体系分子间氢键在NBR的玻璃化转变温度范围内(253-313 K)都能自发解离。R(80)具有最高的ΔHΘ和dlnKΘ/dT以及最低的lnKΘ。可以预测,AO-80/NBR杂化材料将具有最优异的阻尼性能,而AO-60/NBR杂化材料的阻尼性能最差。三种杂化材料的DMTA测试曲线及所得四种阻尼参数均证实了这一理论预测。以三类分子间HBD解离反应的热力学参数构建了能量消耗参数(μT),对经归一化处理的μT和tanδmax进行线性回归分析,发现二者具有统一的线性相关性(R2=0.924)。(4)采用 MD 模拟,研究 AO-60/NBR、AO-70/NBR 和 AO-80/NBR三体系玻璃化转变前后NBR链段运动特征时间与分子间氢键的寿命的关系。首先,根据氢键缔合聚合物动态力学理论做出如下定义:由模型耦合理论计算得到的时间为链段运动特征时间(tC);观察时间内,同一质子受体和供体形成氢键的总持续时间为有效寿命(πE);氢键单次生成-解离周期为实际寿命(πR);πE大于观察时间一半的氢键为影响NBR动态力学性能的有效氢键。然后通过对不同温度下三体系中NBR的MSD曲线计算出各体系中NBR的Tg值。对各温度下有效氢键数量(NHBs)进行统计,结果表明:NHBs越高,其对应的πE越高,相应体系的Ebinding越高、FFV越低,NBR的Tg越高。以玻璃化转变的自由体积理论和氢键解离动力学理论为基础,分析了分子间氢键提升NBR Tg的内在原因:分子间氢键一方面降低了体系的FFV,另一方面提升了聚合物链段运动启动所需的能量。根据氢键的实际寿命(πR)将有效氢键分为两类,即稳定氢键和活泼氢键。随温度升高,稳定氢键数量逐渐下降,活泼氢键的数量和解离-生成周期数均在Tg附近达到最大值。活泼氢键实际寿命(πRa)和tC的关系表明,在Tg附近,三体系内τRa均大于tC。这将导致链段运动与活泼氢键的解离和转换并行,消耗大量的能量,从而成为有机小分子/极性聚合物在Tg附近具有高阻尼值的根本原因。