橡胶基体中杂化填料网络的构建和效应

Exploration of new avenue for the fabrication of rubber nano-composite is of great scientific and practical significances in developing rubber materials with high performances and functional properties. Incorporation of two geometrically dissimilar nano-fillers into a polymer matrix will result in synergistic effects in improving the properties of the composite. The present proposal aims to construct a more stable and developed hybrid filler network in rubber matrix in virtue of the specific interactions between fillers, and disclose the effects of the morphology, structure and property of hybrid filler on the overall performances of the rubber composites. Three aspects will be studied: (1) Study the interactions and hybrid mechanism of certain fillers and establish the hybrid kinetics, which starts with the surface chemistry of fillers; (2) Investigate the construction methods and morphology structures for hybrid filler network in rubber matrix; (3) Study the effects of hybrid filler network on the overall performances (mechanical property and transport properties) of rubber composites. On the basis of the above systematic and correlated studies, it is expected to construct multi-dimensional hybrid filler network with different morphologies and structures in rubber matrix in a controlled manner, which opens up new opportunities for preparing rubber composites with high performance and functional properties.

探索橡胶纳米复合新途径对发展橡胶材料的高性能化和功能化具有重要的科学意义和现实意义。将两种不同维度和性质的纳米填料加入聚合物中可以带来协同效应，提升复合材料性能。本项目申请拟从不同填料间特定相互作用出发，在橡胶基体中构筑稳定和完善的杂化填料网络，并揭示杂化填料的形态、结构、性质对橡胶综合性能的影响。主要研究内容包括：（1）从考察填料表面化学出发，研究不同填料间的相互作用和杂化机理，初步建立杂化反应动力学；（2）探讨杂化填料网络在橡胶基体中构筑方法和形态结构；（3）研究杂化填料网络对橡胶综合性能（力学性能和传导性）的影响。基于以上三方面系统性和关联性的研究，可望在橡胶基体中构筑多尺寸和不同形态结构的杂化填料网络，为橡胶高性能化和功能化开辟了一条新途径。

在本项目的资助下，各项工作按照研究计划顺利实施。利用填料间分子力作用，将两种不同维度和性质的纳米填料加入到橡胶基体中，通过相互作用形成稳定、发达的杂化填料网络，同时结合杂化填料-橡胶界面结构设计，对提升橡胶纳米复合材料的综合性质具有显著的协同效应。本项目开发了几类典型的杂化填料体系（石墨烯-碳纳米管、石墨烯-白炭黑、二硫化钼-炭黑、二硫化钼-白炭黑等），设计了以共价键为主的界面结构，揭示杂化填料的种类、结构以及界面作对橡胶综合性能的影响规律，为橡胶高性能化和功能化提供了理论基础。基于上述研究成果，标注发表SCI论文21篇。. 理论运用于实践，将制备的石墨烯-白炭黑杂化填料应用于轮胎胎面胶中，获得超高增强效率。与玲珑轮胎公司合作，以石墨烯-白炭黑杂化填料为增强体， 试制了乘用车轮胎并进行了相关性能测试。仅需加入2份石墨烯和28份白炭黑，试制的胎面胶即可通过各项测试，其中密度比市售绿色轮胎下降10%，滚动阻力系数为6.81 N/kN，接近欧盟乘用车轮胎滚动阻力级别的A级，达到国际领先水平。. 在本项目的执行期间，项目负责人破格晋升副研究员，获得广东省特支计划科技创新青年拔尖人才，后续获得国家自然科学基金委青年基金支持；协助指导博士研究生（毕业）2名，硕士研究生（毕业）4名。