纳米纤维素的优化制备及其补强天然橡胶的研究

发布时间：2020-06-28 06:05

【摘要】：炭黑(Carbon black,CB)一直占据着橡胶填料消耗量的首位并达到橡胶总消耗量的一半。众所周知石化资源将在不久的将来趋于枯竭,因此急需找到一种能够替代CB补强橡胶的填料。纤维素的年产量可达到10~(11)t,自纳米微晶纤维素(Nanocrystalline cellulose,NCC)被发现以来,其高模量,高比表面积,可降解性以及良好的生物相容性已吸引了一大批科学家的研究,对其作用于橡胶的补强机理研究表明,由于NCC表面具有很强的化学极性,它与弱极性的橡胶相容性较差,从而导致批量化使用NCC来补强橡胶的工业化进程发展缓慢。硅烷偶联剂是一类已在工业生产中体现出巨大经济价值的助剂,选用合适的偶联剂,其含硅一侧的基团可以与填料发生相互作用,另一端链含有的可与基体相容或是反应的基团使其可作为填料与基体之间的桥梁,进而促进填料在基体中的分散。3-辛酰基硫代-1-丙基三乙氧基硅烷(NXT)是为解决白炭黑表面因存在大量硅羟基而团聚现象严重开发的橡胶用硅烷偶联剂。鉴于纤维素和白炭黑一样表面存在大量的可反应性羟基基团,因此本文选用NXT硅烷偶联剂来接枝NCC。本论文以漂白桉木浆纸为原料,通过改进的过硫酸铵,双氧水两步氧化法制备得到NCC,尔后将NCC部分取代CB制备得到天然橡胶(Natural rubber,NR)/CB/NCC复合材料。通过与纯CB补强橡胶体系进行对比以探究NCC与CB协同补强机理以及NCC取代CB的可能性。实验结果表明加入NCC后混炼胶的加工性能得到改善,同时胶料的正硫化时间也有所缩短,有利于降低工业生产时的能耗,随着NCC含量的增加体系的佩恩效应也逐渐减弱,压缩疲劳温生逐渐降低,复合材料的撕裂强度,拉伸强度在5phr NCC时仍能得到保持,尔后随着份数的增加各项力学性能开始明显下降。通过水解NXT硅烷偶联剂后混入NCC悬浮液使两相上的羟基反应制备得改性纳米微晶纤维素(XNCC),并替换NCC制备得到NR/CB/XNCC复合材料。通过与制得的NCC对比发现XNCC表面Zeta电位增加,通过与NR/CB/NCC体系对比表明随着NCC被XNCC取代混炼胶的加工性能进一步得到改善,硫化时间进一步缩短,同时体系的佩恩效应也进一步减弱,材料的各项力学性能在10phr时达到最佳,通过DMA测试表明NR/CB/XNCC体系能在保持优异的抗湿滑性能的同时大幅降低滚动阻力。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TQ352.79
【图文】：

示意图,纤维素,纤维素链,微纤维

华南理工大学硕士学位论文21.2 纤维素的结构分析纤维素是由环型葡萄糖分子组成的具有扁平带状结构的线性链。其重复单元（如图1-1 a）由两个脱水葡萄糖通过 β-1,4 糖苷键连接，聚合度从几千到几万不等。由羟基与相邻葡萄糖分子上的氧组成的链内氢键使整个分子趋于稳定并保证了纤维素的线性构造。在生物合成期间，范德瓦尔斯力和纤维素分子间氢键的作用促进了纤维素的多重平行堆积形成原纤维并在此基础上进一步聚集形成更大的微纤维结构（直径 5-50 纳米，长度为几个微米）。链内和链间氢键网络使纤维素成为一种相对稳定的聚合物并保证了纤维素原纤维沿着轴向的高强度。在这些纤维素原纤维内有一些区域纤维素链排列呈高度有序状态形成结晶区域，同时无序区域形成非结晶区域（如图 1-1 b）。图 1-1 (a)单个纤维素链重复单元示意图 (b)理想化纤维素微纤维示意图Fig1-1. (a) single cellulose chain repeat unit (b) idealized cellulose microfibril[15]结晶纤维素有多种多晶型物（I，II，III，IV）。其中纤维素 I 具有最高的轴向弹性模量[16]。它处于热力学亚稳态结构并可以转化为纤维素 II 或 III[17]。纤维素 II 表现出最好的稳定性，具有单斜结构，并已被用于制作玻璃纸，人造丝和天丝[1]。纤维素 III 可以由纤维素 I 或 II 通过液氨处理来获得，热处理纤维素 III 可获得纤维素 IV。纤维素 I 有两种结晶状态

增强材料,模量,纤维素,弯曲位移

第一章绪论量用作第三个接触点的 AFM 尖端施加的力和纤维素弯曲位移。共测试了 32 个 NCC。测量的 NCC 的弹性模量在 EA=151±29GPa 之间。Sturcova'al[58]等人使用环氧树脂浸渍薄的 NCC 膜然后使复合材料经受拉伸载荷来测试 NCC 的力学性能，用纤维素 I 的特征拉曼光谱峰（1095cm-1）监测沿轴向的应变，测得的 EA= 143 GPa。

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