基于废旧棉纤维的微晶纤维素的制备、改性及其在丁苯橡胶中的应用研究

摘要

绿色轮胎的发展促使白炭黑的需求大幅增长。利用具有与白炭黑相似表面基团的纤维素等植物资源制备廉价、可再生的橡胶填料已成为相关研究的热点之一。废旧棉纤维来源于人类生产生活的废弃物，价格低廉，急需再资源化利用。本论文选择废旧棉纤维制备改性纤维素，探讨橡胶/纤维素复合材料的结构与性能的相互关系，具有明显的理论和实践意义。
　　 本论文首先采用酸水解、或酸水解与碱水解相结合的方法，从废旧棉纤维制备微晶纤维素(MCC)，研究了水解工艺条件对MCC结构的影响;选择了一种新型环保的农副产品-含活性环氧基团的腰果壳油(ECNSL)为改性剂，采用水相球磨改性工艺对MCC进行改性;探讨了改性MCC(MMCC)的结构和用量对MCC/丁苯橡胶(SBR)复合材料结构与性能的影响，并与白炭黑进行了对比试验;另外，通过原位增容的方法，探索了几种具有增容和分散作用的改性剂对MCC/SBR复合材料结构与性能的影响;利用红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热分析仪(DTG)、X射线衍射仪(XRD)、橡胶动态力学分析仪(DMA)和扫描电子显微镜(SEM)等现代分析测试手段，对MCC、MMCC和MCC/SBR复合材料的结构进行了表征。研究结果表明:
　　 (1)通过用激光粒度仪对不同硫酸水解废旧棉纤维工艺制备MCC的粒径和粒径分布分析发现，最佳水解工艺是硫酸浓度8％、水解时间2h、温度80℃，MCC的粒径D50为23.60μm，粒径分布主要在10μm～50μm范围;采用5％的NaOH预处理废旧棉纤维后再水解，MCC的粒径D50为10.23μm，粒径分布主要在5μm～70μm。XRD研究发现，棉纤维和水解后得到的MCC的XRD衍射角(2θ)主要集中在10～45°的范围内，具有典型的纤维素晶体Ⅰ结构;
　　 (2)MMCC的FT-IR谱图在777、911、1260和3014cm-1处呈现红外峰，这是ECNSL上环氧基的特征峰;MMCC在2850、2925、1601、1580cm-1也出现了峰，这些是改性剂上的长碳链和苯环的强峰，而对于MCC红外谱图上并没有出现，证明改性剂ECNSL成功接枝到了MCC粒子表面;MMCC和MCC的DTG图谱显示，MMCC的热失重增加，这是MCC上接枝ECNSL长碳链和耐热性降低的结果，这也间接地说明ECNSL成功接枝到了MCC粒子上。MMCC的SEM表明，MCC经过ECNSL改性后粒径变小，颗粒变得蓬松;
　　 (3)在20～50phr范围内，随着MCC用量的增加，MCC/SBR复合材料的拉伸强度和拉断伸长率呈下降趋势，硬度和撕裂强度不断增加;与加入MCC相比，MMCC填充SBR胶料的加工性能和综合力学性能提高，其中经12.5wt％ECNSL改性的MMCC增强效果较佳;添加了MMCC试样的最小扭矩和最大扭矩都比白炭黑小，且随改性剂ECNSL用量的增加而减小。但随着ECNSL用量增加，胶料的焦烧时间(t10)和正硫化时间(t90)有所增加;
　　 (4)DMA分析结果表明，分别添加MMCC和白炭黑的复合材料在60℃附近的tanθ差不多，添加MMCC的复合材料在0℃附近的tanθ较大，说明它比添加白炭黑的SBR胶料有更好的抗湿滑性;但是，添加MMCC的SBR胶料的阿克隆磨耗较添加白炭黑的胶料稍大;
　　 (5)在0～10.0phr用量范围下，随着增容剂ECNSL、60NSF（脂肪烃树脂为主要成分的混合物）、SBR-g-MAH（丁苯橡胶接枝的马来酸酐）和RX-80（二甲苯甲醛树脂酯化后的大分子酯类混合物）用量的增加，MCC/SBR复合材料的硬度和300％定伸应力不断降低，拉伸强度和撕裂强度均出现一个最大值，扯断伸长率和扯断永久形变不断升高。在相同用量条件下，SBR-g-MAH对复合材料的力学性能提高的幅度最为明显;
　　 (6)SEM分析结果显示，MCC经过预处理ECNSL改性后，在SBR中的相容性和分散性均有明显提高;加入适量的相容剂ECNSL、60NSF、SBR-g-MAH和RX-80均可改善MCC与SBR基体之间的界面相容性。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纤维素的来源和结构

1．2．1 纤维素的聚集态结构

1．2．2 纤维素的化学反应活性

1．3 纤维素纳米粒子的制备

1．3．1 酸水解法

1．3．2 机械法

1．4 高分子复合物功能化填料

1．5 MCC和NCC的预处理和增容改性

1．6 橡胶／纤维素材料

1．7 改性剂CNSL的应用研究

1．7．1 CNSL在橡胶基质中的应用

1．8 本论文的研究目的、意义、主要研究内容和创新点

1．8．1 研究目的和意义

1．8．2 主要研究内容

1．8．3 创新点

第二章 实验部分

2．1 主要原料及试剂

2．2 主要仪器和设备

2．3 基本配方

2．4 试样制备

2．4．1 MCC的制备

2．4．2 MCC的改性

2．4．3 复合材料的制备

2．5 性能测试

2．6 结构分析性能测试

第三章 结果与讨论

3．1 MCC不同的水解工艺的研究

3．1．1 水解工艺对MCC粒径的影响

3．1．2 碱预处理对MCC性质的影响

3．2 ECNSL改性MCC的研究

3．2．1 MMCC的红外光谱分析

3．2．2 MMCC的热分析

3．2．3 MMCC的SEM分析

3．3 MMCC对SBR胶料性能的影响

3．3．1 MMCC对SBR胶料硫化性能的影响

3．3．2 MMCC对SBR硫化胶力学性能的影响

3．3．3 MMCC在SBR中分散效果分析

3．4 MMCC／SBR动态性能的研究

3．4．1 耐磨性

3．4．2 DMA性能分析

3．5 相容剂对MCC／SBR复合材料性能的影响

3．5．1 相容剂对MCC／SBR力学性能

3．5．2 添加相容剂的MCC／SBR的SEM分析

结论

参考文献

硕士学位期间发表的论文

声明

致谢