纤维素微晶原位补强橡胶基复合材料的结构与性能研究

Cellulose/ionic liquids solution or Cellulose/ reactive ionic liquids solution were firstly prepared from native cellulose biomass, due to the good solubility of imidazolium-based with cellulose. This solution was then used as a modifier in rubber/silica (or carbon black) composites. Using the third medium such as H2O(physical method)or the reaction of reactive ionic liquids(chemical method), the cellulose microcrystalline could be precipitated, stretched and orientated in rubber matrix by controlling the processing and curing condition. The in-situ generated cellulose microcrystalline in rubber matrix served as reinforcing agent. Its generation condition, process, mechanisms and the interaction with rubber matrix were investigated. And the effects of cellulose microcrystalline on the mechanical properties, especially reinforcing properties and dynamic properties, were also studied in detail by using nuclear magnetic resonance crosslinking density spectroscopy（MR-CDS3500）, rubber processing analysis (RPA), electron microscope (SEM，TEM), infrared spectroscopy (IR), and so on. These researches will be beneficial to the theoretical and practical basis for preparation the low cost, high properties and degradable rubber composites.

本项目利用咪唑类离子液体对纤维素良好的溶解性能，从原生态纤维素中提取纤维素/离子液体溶液和纤维素/反应性离子液体（在橡胶硫化过程中参与反应）溶液。将该饱和溶液作为改性剂加入到炭黑或白炭黑补强的橡胶体系中共混炼，通过引入第三介质（物理法）或利用反应性离子液体的反应性（化学法），并控制加工条件和硫化工艺，使纤维素微晶在橡胶基体中析出、拉伸和取向，从而原位生成纤维素微晶以补强橡胶基体。采用磁共振交联密度仪（MR-CDS3500）、橡胶加工分析仪（RPA）、电子显微镜（SEM和TEM）和红外光谱等技术和手段，对纤维素微晶原位生成的条件、过程、机理及与基体的相互作用进行详细研究，并深入分析原位生成的纤维素微晶的取向状态对橡胶宏观性能，尤其是补强性和动态性能的影响规律，为获得低成本、高性能、可降解的橡胶基复合材料提供理论和实践依据。

本项目全部完成课题计划研究内容。采用三种不同的工艺方法（微晶纤维素离子液体直接混炼法、微晶纤维素碱尿素溶液与天然胶乳复合法、微晶纤维素与无机颗粒杂化法）都能成功地使纤维素微晶在橡胶基体中原位析出，析出的纤维素尺寸小、分散均匀、与橡胶基体的界面结合性能好。因此可用于制备高强度的微晶纤维素/橡胶复合材料，为纤维素材料在橡胶中的规模化应用奠定了理论和实践基础。. 采用离子交换反应，制备了具有促进橡胶硫化作用的咪唑类离子液体（ILM），并用之制备了微晶纤维素/ILM溶液。将微晶纤维素/ILM直接在橡胶混炼过程中加入，利用ILM的反应性可使具有棒状结构的纤维素微晶在橡胶基体中原位析出。原位析出的微晶纤维素与橡胶基体具有良好的界面结合，可显著提高橡胶材料的物理机械性能和耐磨性。该方法的优点是绿色环保、生产工艺简单、高效，但微晶纤维素在橡胶基体中的含量难以提高。. 采用碱尿素为溶剂，制备了微晶纤维素/碱尿素溶液，然后加入到天然胶乳中，控制反应条件可使纤维素微晶在天然橡胶基体中原位析出，制备出透明、高强的纤维素微晶/NR复合材料。值得注意的是该复合材料虽然具有低的硬度，但却有很高的拉伸模量，可用于制备强度高、柔软、应力敏感的功能材料，具有广阔的应用前景。. 利用微晶纤维素的吸水溶胀特性，采用NaOH水溶液或尿素水溶液溶胀微晶纤维素，然后制备微晶纤维素-纳米SiO2（或纳米ZnO）杂化填料。利用橡胶加工过程中的力场和微晶纤维素与无机杂化体模量差异，可以成功的在橡胶加工过程中使微晶纤维素在橡胶基体中劈裂，达到原位微细化的目的，提高橡胶的强度。该方法工艺简单，可以有效提高微晶纤维素在橡胶中的用量，有利于微晶纤维素在橡胶中的规模化应用。. 依托本项目贡发表与项目相关的科技论文25篇，其中SCI 收录论文5篇，发表国际会议论文3篇。授权发明专利2项，申请发明专利2项（已公开），研究成果经山东省教育厅鉴定结果为国际先进。依托本项目培养硕士研究生取得学位5人。