中国研究人员开发高性能纳米填料有效增强橡胶复合材料

据外媒报道，在最近发表在《材料化学与物理》（Materials Chemistryl and Physics）杂志上的一项研究中，四川轻化工大学材料科学与工程学院（School of Materials Science and Engineering，Sichuan University of Science & Engineering）等机构的研究人员提出，对SBR复合材料大范围使用效率的评估表明，杂化材料可以作为一种新型功能添加剂，有效增强橡胶复合材料。

（图片来源：sciencedirect）

丁苯橡胶和填料
       在世界范围内，由于过度开采和使用化石资源，人们对生态退化和燃料来源的担忧与日俱增。汽车行业已逐渐将重心转向降低能耗和碳排放。
       丁苯橡胶具有优异的耐油性和耐磨性，被广泛应用于制造轮胎、胶粘剂、管材、电缆等橡胶制品。在若干类型的丁苯橡胶中，丁苯橡胶1500E（简称SBR）具有环保性，主要用于轮胎的胎面和胎侧。胎面和胎侧是轮胎中受紫外线影响的主要区域。长期使用会导致轮胎老化，使汽车的燃油量增加，同时缩短轮胎的使用寿命。
       有许多创新添加剂，如碳材料（石墨烯纳米颗粒、单壁或多壁碳纳米管）、化学紫外线稳定剂（羟基苯基化合物、苯并三唑类）和金属氧化物（TiO2和CeO2），被加入基质材料中，以充分减少汽车燃油量，并提高橡胶轮胎的耐久性。
       由于产生的电子和空穴的络合频率（complexation frequency）增加，金红石型二氧化钛被认为具有比锐钛矿型二氧化钛更稳定的晶体结构，以用于吸收紫外光的应用。然而，由于其直径细小、能量相对较高及动态热力学条件，使TiO2纳米颗粒分散在橡胶基质中，是典型的挑战。

TiO2纳米颗粒的表面改性
改变TiO2纳米颗粒的表面形态，是近年来广泛采用的一种在聚合物中提高TiO2纳米颗粒分散度的方法。在以前的工作中，人们使用聚邻苯二酚/多胺（PCPA）和甲基丙烯酸3三甲氧基硅丙酯（KH570）对TiO2纳米颗粒进行改性，以提高其拉伸、电磁和机电性能。
另一项研究发现，用硅烷偶联剂对TiO2纳米颗粒进行表面处理，可以使TiO2纳米颗粒在硅橡胶（SiR）（3-氨基丙基三乙氧基硅烷，KH550）中具有良好的分散性，以及更好的抗紫外线辐射老化性能。然而，对TiO2的表面处理，忽略了添加剂与胶乳聚合网状物之间的顺应性和界面接触。TiO2的分布可以提高和改善复合材料的抗紫外线性能，尤其是用作橡胶填充材料时，尽管其对材料的力学性能影响很小。因此，人们迫切需要新的策略来克服这一劣势。

螺旋纳米纤维增强TiO2
以前的研究表明，螺旋碳纳米纤维（HCNFs）是一种具有独特螺旋形状的新型碳材料，具有与碳纳米管和石墨烯相同的增强弹性体性能。在本项研究中，以钛酸丁酯（TBOT）为钛源，采用直接原位技术制备了杂化材料。
采用共价键合和原位方法，将TiO2纳米颗粒（19 Nm）连接到螺旋碳纳米纤维（HCNFs）的表面。将所制得的HCNFs@TiO2杂化材料用于熔融共混强化丁苯橡胶1500E（SBR）。这是为了结合HCNFs和TiO2的优点，增强SBR材料的拉伸和抗紫外线老化特性。因此，这篇论文中的研究旨在提供一种新的技术途径，以制备具有良好综合性能的SBR/HCNFs@TiO2复合材料。

主要发现
       在本项工作中，将原位生长复合材料，用作SBR复合材料的增强材料。一系列表征表明，共价键在HCNFs和TiO2纳米颗粒之间产生了显著的界面接触。
       HCNFs@TiO2杂化材料在SBR材料中的高度分布，提高了SBR杂化材料的交联度、胶粘橡胶百分率和整体拉伸性能。与SBR/CB（对照）相比，SBR/C@Ti-3（3 phr ）复合材料的最终拉伸强度和断裂伸长率分别提高了15.0%和25.1%。
       SBR/C@Ti-3复合材料具有较大的湿滑特性，滚动阻力较小。此外，杂化材料，在抗紫外线老化方面优于SBR/CB材料，其拉伸强度和断裂伸长率分别是SBR/CB材料的1.9倍和3.3倍。
       这项研究表明提高TiO2纳米颗粒分散度的创新方法，并探讨在高性能轮胎中使用多用途复合材料添加剂。

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