四川轻化工大学陈建教授：结合胶厚度对于橡胶补强的显著影响

作为一种重要的工业原料，炭黑在橡胶、塑料和涂料工业中有许多应用。调查表明，炭黑作为橡胶颜料、补强剂、导热添加剂，用于汽车轮胎中占总量的70%。炭黑是一种重要的补强填料。在橡胶工业中，在橡胶基质中添加炭黑将显著提高橡胶产品的性能。它不仅可以提高橡胶的拉伸强度和断裂强度，还可以提高橡胶的耐磨性，从而延长橡胶的使用寿命；到目前为止，已有100多年的历史。

四川轻化工大学材料学院陈建教授课题组报道了一种炭黑补强理论新的见解。通过在500◦C下裂解橡胶并在900◦C下脱杂化，制备了热裂解回收炭黑。扫描电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱表征表明，经过一次和二次热裂解恢复后的炭黑更容易聚集，表现出更高程度的碳缺陷。这些炭黑表面官能团的数量和类型明显减少。对于添加原始样品的天然橡胶复合材料，力学性能和结合橡胶含量测试表明，随着炭黑粒径的增加，复合材料的力学性能变差。结合橡胶的含量也随着炭黑粒径的增大而降低。一次热裂解和二次热裂解回收的炭黑增强天然橡胶复合材料的力学性能会降低。原子力显微镜和差示扫描量热仪的测试结果进一步证实了胶粘剂结合力的下降趋势。本工作揭示了结合橡胶含量的变化对橡胶力学性能的影响，更直观地展示了结合橡胶的形态。

图1 (A)NR/N115a，(B)NR/N330a，(C)NR/N550a，(D)NR/N-660a，(E)NR/N115b，(F)NR/N330b的AFM图，以及(G)NR/N115a，(H)NR/N330a，(I)NR/N550a，(J)NR/N-660a，(K)NR/N115b，(L)NR/N330b的3D图。

对于NR/N115a和NR/N330a复合材料，从形态上观察到炭黑颗粒表面包裹着一层结合凝胶。由于炭黑纳米粒子的高硬度，在用冷冻超薄切片制备样品时，切割刀割断了炭黑表面的结合凝胶，从而使炭黑暴露在外。而对于NR/N550a复合材料，N550a表面覆盖的胶粘剂粘接效果不明显。在NR/N660a复合材料中，N660a的表面非常光滑，甚至没有观察到可见的粘合橡胶涂层，AFM观察到的结果倾向于与粘合橡胶含量测试结果一致。这可能是由于不同系列炭黑的颗粒大小和比表面积不同等因素造成的。此外，如图5e，f所示，还用原子力显微镜观察了NR/N115b和NR/N330b复合材料中结合橡胶的形态。然而，很难在N115b和N330b的表面观察到结合橡胶涂层，即在第一次热裂纹恢复后，在填充N115a和N330a的橡胶复合材料中很难形成结合橡胶。这与结合橡胶含量测试的结果是一致的。在试验结果中，NR/N115a和NR/N330a胶粘剂含量的下降证实了这一点。

图2 (a)NR/N330的DSC曲线；(b)NR/N330a的TG-DTG曲线

在NR/N330a、NR/N330b和NR/N330c复合材料中结合粘结剂的含量。可能含有少量未被甲苯溶解的天然橡胶，使其DSC曲线出现弱拐点。相反，NR/N330c复合材料的粘合橡胶更少。未结合的天然橡胶被甲苯完全溶解，因此在试验的温度范围内，天然橡胶/N330c复合材料没有任何变化。这再次证明了N330a在一次和二次热裂解恢复后具有较低的束缚橡胶含量，以形成NR/N330c复合材料。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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