[发明专利]一种基于刚性大分子骨架的抗缺陷橡胶材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含有刚性大分子骨架结构的抗缺陷橡胶材料及其制备方法，材料以刚性大分子作为增强相，以橡胶材料为基质相，通过乳液共组装法使刚性大分子在橡胶基质中形成蜂窝状的刚性骨架结构，以增强橡胶材料的力学性能并赋予橡胶材料缺口不敏感性。其制备采取先将橡胶材料胶乳进行预硫化，预硫化完成后再进行酸化，将刚性大分子溶解到水制取的溶液加入到酸化后的橡胶材料乳液中进行乳液共组装，充分混合组装之后进行膜成型，所得的膜经交联、高温再硫化即得到要制取的橡胶材料。本发明提供的抗缺陷橡胶材料，其类似蜂窝的刚性骨架结构，能承受大部分加载的应力、耗散能量、阻止裂纹扩展，使橡胶材料具有良好的强度、韧性、缺口不敏感性。

技术领域

本发明涉及橡胶材料技术领域，具体涉及一种基于刚性大分子骨架的抗缺陷橡胶材料及其制备方法。

背景技术

橡胶材料在交通运输、航空航天、军事、电子等领域应用广泛，是一种至关重要的材料。在实际应用的过程中，某些恶劣的服役环境下，橡胶材料的表面或内部会产生大大小小的缺陷，不仅影响材料的正常使用，更有可能带来严重的安全隐患。提高橡胶材料的抗缺陷能力一直是所属领域的科技工作者重点关注的课题。自然界中一些生物材料通过特殊的结构和组分设计可以实现极其优良的抗缺陷性。比如，一些刚性的生物材料如贝壳类生物的珍珠层、骨骼、牙釉质等拥有由软、硬组分周期性分布形成的独特的层状结构，因此在保证强度和刚性的同时，具有极高的韧性和突出的抗缺陷性。一些抗缺陷的柔性生物组织如肌肉、血管、皮肤等也是由模量有别的组分分层排布而成。受启发于这些自然材料的结构和组分设计，大量的仿生抗缺陷材料应运而生。T.Nguye等通过逐层沉积的方式制备了一种抗缺陷的石墨烯/聚丙烯酸甲酯复合材料，与纯的氧化石墨烯膜相比，通过逐层沉积制备的石墨烯/聚丙烯酸甲酯复合材料不仅显示更高的强度和韧性，同时表现出极其优异的抗缺陷性质。(Beese A M,An Z, Sarkar S,et al.Advanced Functional Materials,2014,24(19):2883-2891.)。龚建平等将相对较硬的聚十二烷基衣康酸甘油酯水凝胶和软的聚丙烯酰胺水凝胶组合并形成层状结构，制备了兼具高韧性、自修复、耐疲劳和抗缺陷的水凝胶。(Haque M A,Kurokawa T,Kamita G,et al.MACROMOLECULES,2011,44(22):8916-8924.)。层状结构可以提高材料的韧性并且赋予材料抗缺陷的能力，但是这种能力显然具有方向依赖性，即在平行于层的方向上又硬又强，在垂直于层的方向上又软又弱，这无疑会限制类似材料的实际应用。因此，亟需探索新的结构能各向同性地增强、增韧、抗缺陷。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明的第一个目的是提供一种兼具高强度、高韧性、抗缺陷的橡胶材料；本发明的第二个目的是提供一种制备高强度、高韧性、抗缺陷橡胶材料的方法。

本发明的基本思路是通过在橡胶材料基体中引入刚性骨架以实现增强橡胶材料的力学性能并赋予橡胶材料缺口不敏感性。本发明制备高强度、高韧性、抗缺陷橡胶材料的基本思路，是利用刚性大分子骨架作为牺牲骨架，在外力作用下优先被破坏来耗散能量，防止应力集中。另外，刚性的骨架和柔性的基体之间的模量变化可以显著提高材料的抗缺陷能力。刚性骨架的存在使得裂纹在基体中的传播路径更加曲折，有利于将裂纹钝化并偏转，以此提高材料的抗缺陷能力。

本发明提供的抗缺陷橡胶材料，是以刚性大分子材料作为增强相，通过乳液共组装法将增强相分散在基质相的橡胶材料中形成蜂窝状的骨架结构，以增强橡胶材料的力学性能并赋予橡胶材料极其优良的缺口不敏感性，所述抗缺陷橡胶材料的组成组分包括，橡胶材料100质量份，刚性大分子材料0.2-10质量份，橡胶材料质量用量 1.5-2.5％的硫化剂，橡胶材料质量用量0.5-1.2％的硫化促进剂。

在本发明的上述技术方案中，作为骨架的大分子材料，其用量优先控制在0.5～10质量份范围。