微晶纖維素及其對橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用

劉國梁

摘 要 纖維素作為一種生物材料，廣泛存在于自然界中。目前，纖維素在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越普遍的使用。本文簡要介紹了纖維素的基本特性，并通過對實(shí)驗(yàn)制得的纖維素橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、物理機(jī)械性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能等進(jìn)行分析，論述微晶纖維素對天然橡膠有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用。

關(guān)鍵詞 纖維素 橡膠 補(bǔ)強(qiáng)

一、微晶纖維素簡介

纖維素是自然界來源最為廣泛的另一種多糖類生物材料，它大量存在于植物、動(dòng)物和細(xì)菌中。微晶纖維素，是由天然纖維素經(jīng)稀無機(jī)酸水解達(dá)到極限聚合度的固體產(chǎn)物。其大分子的降解過程如下：纖維素→水解纖維素（包括微晶纖維素）→纖維素糊精→%[→低聚糖→纖維素二糖→纖維素。微晶纖維素是一種無臭、無味、極細(xì)微的白色短棒狀或無定形結(jié)晶粉末，其顆粒大小一般在20～80微米，極限聚合度在15～375，不具纖維性而流動(dòng)性極強(qiáng)，不溶于水、稀酸、有機(jī)溶劑和油脂，在稀堿溶液中部分溶解、潤漲。

微晶纖維素主要有三個(gè)基本特征：首先，平均聚合度達(dá)到極限聚合度值；第二，具有纖維素的晶格特征晶胞中心與四角分子鏈按同一方向平行排列，結(jié)晶度高于原纖維素；第三，具有極強(qiáng)的吸水性，并且在水介質(zhì)中經(jīng)強(qiáng)力剪切作用后具有生成凝膠體的能力。通常所稱的水解纖維素是各類降解纖維素混合產(chǎn)物的總稱，而微晶纖維素只限于具有上述三個(gè)特征的水解纖維素。這個(gè)特征是衡量與檢驗(yàn)微晶纖維素的唯一標(biāo)準(zhǔn)，也是區(qū)分微晶纖維素與水解纖維素的主要標(biāo)準(zhǔn)。

表明微晶纖維素性質(zhì)的物化指標(biāo)很多，主要有：聚合度、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)、吸水值、潤濕熱、粒度、比表值、凝膠性能等。

以纖維素為主的人造纖維在輪胎中作為簾線或在其他橡膠制品中作為增強(qiáng)材料早已在工業(yè)上應(yīng)用。但是將纖維素作為一種補(bǔ)強(qiáng)性填料特別是納米級補(bǔ)強(qiáng)填料在橡膠中應(yīng)用，并不是非常普遍。與傳統(tǒng)的增強(qiáng)材料如玻璃纖維，炭黑，碳酸鈣等相比，生物纖維作為增強(qiáng)材料具有以下優(yōu)勢：（1）豐富的可再生資源；（2）低成本；（3）低密度；（4）高比強(qiáng)度和高比強(qiáng)模量；（5）良好的熱穩(wěn)定性；（6）環(huán)境友好材料。

二、微晶纖維素對橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用分析

在實(shí)驗(yàn)室中用濃縮天然膠乳、納米晶纖維素，氧化鋅、硫磺、硬脂酸、促進(jìn)劑M等，制備納米晶纖維素/天然橡膠（NCC/NR）復(fù)合材料，并分析測試這種復(fù)合材料的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。

1、納米晶纖維素/天然橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過對不同用量的NCC對NCC/NR復(fù)合材料物理機(jī)械性能的影響的觀察?？煽吹剑贜R中加入NCC后，復(fù)合材料的邵爾硬度、拉伸強(qiáng)度、300%定伸應(yīng)力、拉斷伸長率、撕裂強(qiáng)度等性能都有較明顯的提高，這表明NCC對NR起到了較好的補(bǔ)強(qiáng)作用。隨著NCC用量的增加，除硬度外，NCC/NR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、300%定伸應(yīng)力、拉斷伸長率、撕裂強(qiáng)度等性能都表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢；在NCC用量為4份時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最好。這表明NCC對NR的補(bǔ)強(qiáng)存在一最佳用量，當(dāng)NCC用量過高時(shí)，NCC之間產(chǎn)生團(tuán)聚生成較大的顆粒，從而影響其補(bǔ)強(qiáng)效果。

2、納米晶纖維素/天然橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

在對NCC/NR（納米晶纖維素/天然橡膠）復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)的觀察中，可看到，NCC在橡膠基質(zhì)中分散均勻。一些較大的顆粒則可能是混煉過程中納米粒子相互碰撞、團(tuán)聚形成的。

3、納米晶纖維素/天然橡膠復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

通過對NCC用量對NCC/NR復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗因子的影響的分析，可看出，在NR中加入NCC后，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量明顯提高，并隨NCC用量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，在NCC用量為4%時(shí)，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量達(dá)到最大值。這與NCC對復(fù)合材料物理性能的影響一致。從圖1可看出，NCC/NR復(fù)合材料的損耗因子tan%]與儲(chǔ)能模量有很好的對應(yīng)關(guān)系，儲(chǔ)能模量大損耗因子小。另外，從圖1還可看到，NCC的加入，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg向低溫方向移動(dòng)，隨著NCC用量的增加，復(fù)合材料的tg有所波動(dòng)。這與通常的聚合物增強(qiáng)的結(jié)果不同，還有待于作進(jìn)一步深入的研究。

圖1 NCC用量對NCC/NR復(fù)合材料tan%]的影響

4、納米晶纖維素/天然橡膠復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性

通過對天然橡膠硫化膠和NCC/NR復(fù)合材料的熱降解性能分析?？梢缘玫?，NCC/NR復(fù)合材料的熱分解溫度和終止溫度稍有提高，最大分解速率溫度幾乎沒有變化。由此可知，在NR中加入NCC對天然橡膠的熱穩(wěn)定性影響不大。

三、結(jié)論

通過以上的實(shí)驗(yàn)分析我們可以得到如下結(jié)論：首先， 納米晶纖維素對天然橡膠起到了較好的補(bǔ)強(qiáng)作用，在納米晶纖維素用量為4%時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最好；其次，納米晶纖維素使復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量明顯提高，損耗因子峰值則有所降低，復(fù)合材料的玻璃化溫度向低溫方向移動(dòng)；此外，在天然橡膠中加入納米晶纖維素對天然橡膠的熱穩(wěn)定性影響不大。

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（作者單位：鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）