纳米微晶纤维素及其橡胶复合材料的制备、结构与性能

炭黑和白炭黑是橡胶工业尤其是轮胎工业不可或缺的2种填料，本项目将纳米微晶纤维素(Nanocrystalline Cellulose，简称NCC)作为橡胶的新型补强材料，经过近3年的前期研究，发现NCC对天然橡胶的补强效果优于白炭黑(Silica)和炭黑(CB)，部分取代Silica和CB后，可以很好地改善了天然橡胶的耐热氧老化性能，同时还降低复合材料的生热，改善曲挠龟裂性能和动态力学性能。NCC是从纤维素酸解得到的直径在20~60nm，长度200～500nm 的棒状结晶产物，它具有可再生、密度小、可取向、强度高等特点，而且制备方法简便，价廉易得。本项目在前期工作的基础上，拟对橡胶/NCC复合材料的结构与性能进一步深入研究，以期得到适合高性能轮胎和其他高性能橡胶制品用的橡胶/NCC复合材料，并通过研究揭示NCC与橡胶界面的相互作用及其补强机理。

炭黑和白炭黑由于其优异的补强能力而一直是橡胶工业最为重要的两种补强填料。炭黑和白炭黑源于石化资源，不可再生，加工过程粉尘污染严重。同时，硫化胶制品难以降解和回收利用，造成严重的“黑色污染”。以可再生、可降解的新型材料替代炭黑和白炭黑补强橡胶对缓解资源危机和减轻环境污染具有重大意义。本项目采用不同方法从工业微晶纤维素以及多种废弃生物质材料（木粉、废纸、废棉材料、蔗渣、秸秆）中提取尺寸稳定（直径为20~100nm，长度为200~800nm）的棒状纳米微晶纤维素，并探究其改性前后部分替代炭黑和白炭黑后对橡胶性能的影响。结果表明，纳米微晶纤维素部分替代炭黑和白炭黑后可改善二者在橡胶基体中地分散，进而改善胶料的加工性能。未改性纳米微晶纤维素部分替代炭黑制备橡胶复合材料，与45phr炭黑补强的硫化胶相比，当 NCC的用量不超过10phr时，复合材料的拉伸强度、撕裂强度等力学性能可保持。且纳米微晶纤维素的加入使硫化胶的压缩生热性能得到明显改善，滚动阻力明显降低。适量的KH-550 的加入可以改善 NR/NCC/CB 复合材料的耐磨耗性能和抗屈挠龟裂性能；添加粘合剂RH改性复合材料后，复合材料交联密度整体提高，力学性能进一步改善，耐磨耗性提高；添加环氧化天然橡胶后，复合材料的力学性能明显改善，热稳定性相比于未改性时有所提高，动态力学性能变化不大。相比于NR/SiO2/NCC复合材料，KH550改性后复合材料的力学性能、耐磨耗性能和表观交联密度均有较大提高。本项目所制备的橡胶复合材料均可按照传统橡胶制品加工工艺制备，方法简易通用，可用于制备橡胶胶管、轮胎等通用橡胶制品。