中國研究人員開發高性能納米填料　有效增強橡膠復合材料

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　　蓋世汽車訊　據外媒報道，在最近發表在《材料化學與物理》(Materials Chemistryl and Physics)雜志上的一項研究中，四川輕化工大學材料科學與工程學院(School of Materials Science and Engineering，Sichuan University of Science & Engineering)等機構的研究人員提出，對SBR復合材料大范圍使用效率的評估表明，HCNFs@TiO2雜化材料可以作為一種新型功能添加劑，有效增強橡膠復合材料。

　　(圖片來源：sciencedirect)

　　丁苯橡膠和填料

　　在世界范圍內，由于過度開采和使用化石資源，人們對生態退化和燃料來源的擔憂與日俱增。汽車行業已逐漸將重心轉向降低能耗和碳排放。

　　丁苯橡膠具有優異的耐油性和耐磨性，被廣泛應用于制造輪胎、膠粘劑、管材、電纜等橡膠制品。在若干類型的丁苯橡膠中，丁苯橡膠1500E(簡稱SBR)具有環保性，主要用于輪胎的胎面和胎側。胎面和胎側是輪胎中受紫外線影響的主要區域。長期使用會導致輪胎老化，使汽車的燃油量增加，同時縮短輪胎的使用壽命。

　　有許多創新添加劑，如碳材料(石墨烯納米顆粒、單壁或多壁碳納米管)、化學紫外線穩定劑(羥基苯基化合物、苯并三唑類)和金屬氧化物(TiO2和CeO2)，被加入基質材料中，以充分減少汽車燃油量，并提高橡膠輪胎的耐久性。

　　由于產生的電子和空穴的絡合頻率(complexation frequency)增加，金紅石型二氧化鈦被認為具有比銳鈦礦型二氧化鈦更穩定的晶體結構，以用于吸收紫外光的應用。然而，由于其直徑細小、能量相對較高及動態熱力學條件，使TiO2納米顆粒分散在橡膠基質中，是典型的挑戰。

　　TiO2納米顆粒的表面改性

　　改變TiO2納米顆粒的表面形態，是近年來廣泛采用的一種在聚合物中提高TiO2納米顆粒分散度的方法。在以前的工作中，人們使用聚鄰苯二酚/多胺(PCPA)和甲基丙烯酸3三甲氧基硅丙酯(KH570)對TiO2納米顆粒進行改性，以提高其拉伸、電磁和機電性能。

　　另一項研究發現，用硅烷偶聯劑對TiO2納米顆粒進行表面處理，可以使TiO2納米顆粒在硅橡膠(SiR)(3-氨基丙基三乙氧基硅烷，KH550)中具有良好的分散性，以及更好的抗紫外線輻射老化性能。然而，對TiO2的表面處理，忽略了添加劑與膠乳聚合網狀物之間的順應性和界面接觸。TiO2的分布可以提高和改善復合材料的抗紫外線性能，尤其是用作橡膠填充材料時，盡管其對材料的力學性能影響很小。因此，人們迫切需要新的策略來克服這一劣勢。

　　螺旋納米纖維增強TiO2

　　以前的研究表明，螺旋碳納米纖維(HCNFs)是一種具有獨特螺旋形狀的新型碳材料，具有與碳納米管和石墨烯相同的增強彈性體性能。在本項研究中，以鈦酸丁酯(TBOT)為鈦源，采用直接原位技術制備了HCNFs@TiO2雜化材料。

　　采用共價鍵合和原位方法，將TiO2納米顆粒(19 Nm)連接到螺旋碳納米纖維(HCNFs)的表面。將所制得的HCNFs@TiO2雜化材料用于熔融共混強化丁苯橡膠1500E(SBR)。這是為了結合HCNFs和TiO2的優點，增強SBR材料的拉伸和抗紫外線老化特性。因此，這篇論文中的研究旨在提供一種新的技術途徑，以制備具有良好綜合性能的SBR/HCNFs@TiO2復合材料。

　　主要發現

　　在本項工作中，將原位生長HCNFs@TiO2復合材料，用作SBR復合材料的增強材料。一系列表征表明，共價鍵在HCNFs和TiO2納米顆粒之間產生了顯著的界面接觸。

　　HCNFs@TiO2雜化材料在SBR材料中的高度分布，提高了SBR雜化材料的交聯度、膠粘橡膠百分率和整體拉伸性能。與SBR/CB(對照)相比，SBR/C@Ti-3(3 phr HCNFs@TiO2)復合材料的最終拉伸強度和斷裂伸長率分別提高了15.0%和25.1%。

　　SBR/C@Ti-3復合材料具有較大的濕滑特性，滾動阻力較小。此外，SBR/HCNFs@TiO2雜化材料，在抗紫外線老化方面優于SBR/CB材料，其拉伸強度和斷裂伸長率分別是SBR/CB材料的1.9倍和3.3倍。

　　這項研究表明提高TiO2納米顆粒分散度的創新方法，并探討在高性能輪胎中使用多用途復合材料添加劑。