微晶纤维素及其对橡胶的补强作用

刘国梁

摘 要 纤维素作为一种生物材料，广泛存在于自然界中。目前，纤维素在工业生产中得到越来越普遍的使用。本文简要介绍了纤维素的基本特性，并通过对实验制得的纤维素橡胶复合材料的微观结构、物理机械性能、动态力学性能等进行分析，论述微晶纤维素对天然橡胶有较好的补强作用。

关键词 纤维素 橡胶 补强

一、微晶纤维素简介

纤维素是自然界来源最为广泛的另一种多糖类生物材料，它大量存在于植物、动物和细菌中。微晶纤维素，是由天然纤维素经稀无机酸水解达到极限聚合度的固体产物。其大分子的降解过程如下：纤维素→水解纤维素（包括微晶纤维素）→纤维素糊精→%[→低聚糖→纤维素二糖→纤维素。微晶纤维素是一种无臭、无味、极细微的白色短棒状或无定形结晶粉末，其颗粒大小一般在20～80微米，极限聚合度在15～375，不具纤维性而流动性极强，不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂，在稀碱溶液中部分溶解、润涨。

微晶纤维素主要有三个基本特征：首先，平均聚合度达到极限聚合度值；第二，具有纤维素的晶格特征晶胞中心与四角分子链按同一方向平行排列，结晶度高于原纤维素；第三，具有极强的吸水性，并且在水介质中经强力剪切作用后具有生成凝胶体的能力。通常所称的水解纤维素是各类降解纤维素混合产物的总称，而微晶纤维素只限于具有上述三个特征的水解纤维素。这个特征是衡量与检验微晶纤维素的唯一标准，也是区分微晶纤维素与水解纤维素的主要标准。

表明微晶纤维素性质的物化指标很多，主要有：聚合度、结晶度、结晶形态、吸水值、润湿热、粒度、比表值、凝胶性能等。

以纤维素为主的人造纤维在轮胎中作为帘线或在其他橡胶制品中作为增强材料早已在工业上应用。但是将纤维素作为一种补强性填料特别是纳米级补强填料在橡胶中应用，并不是非常普遍。与传统的增强材料如玻璃纤维，炭黑，碳酸钙等相比，生物纤维作为增强材料具有以下优势：（1）丰富的可再生资源；（2）低成本；（3）低密度；（4）高比强度和高比强模量；（5）良好的热稳定性；（6）环境友好材料。

二、微晶纤维素对橡胶的补强作用分析

在实验室中用浓缩天然胶乳、纳米晶纤维素，氧化锌、硫磺、硬脂酸、促进剂M等，制备纳米晶纤维素/天然橡胶（NCC/NR）复合材料，并分析测试这种复合材料的力学性能、微观结构、动力学性能和热稳定性。

1、纳米晶纤维素/天然橡胶复合材料的力学性能

通过对不同用量的NCC对NCC/NR复合材料物理机械性能的影响的观察。可看到，在NR中加入NCC后，复合材料的邵尔硬度、拉伸强度、300%定伸应力、拉断伸长率、撕裂强度等性能都有较明显的提高，这表明NCC对NR起到了较好的补强作用。随着NCC用量的增加，除硬度外，NCC/NR复合材料的拉伸强度、300%定伸应力、拉断伸长率、撕裂强度等性能都表现出先上升后下降的趋势；在NCC用量为4份时，复合材料的综合性能最好。这表明NCC对NR的补强存在一最佳用量，当NCC用量过高时，NCC之间产生团聚生成较大的颗粒，从而影响其补强效果。

2、纳米晶纤维素/天然橡胶复合材料的微观结构

在对NCC/NR（纳米晶纤维素/天然橡胶）复合材料的微观结构的观察中，可看到，NCC在橡胶基质中分散均匀。一些较大的颗粒则可能是混炼过程中纳米粒子相互碰撞、团聚形成的。

3、纳米晶纤维素/天然橡胶复合材料的动态力学性能

通过对NCC用量对NCC/NR复合材料的储能模量和损耗因子的影响的分析，可看出，在NR中加入NCC后，复合材料的储能模量明显提高，并随NCC用量的增加呈现先增大后降低的趋势，在NCC用量为4%时，复合材料的储能模量达到最大值。这与NCC对复合材料物理性能的影响一致。从图1可看出，NCC/NR复合材料的损耗因子tan%]与储能模量有很好的对应关系，储能模量大损耗因子小。另外，从图1还可看到，NCC的加入，复合材料的玻璃化转变温度tg向低温方向移动，随着NCC用量的增加，复合材料的tg有所波动。这与通常的聚合物增强的结果不同，还有待于作进一步深入的研究。

图1 NCC用量对NCC/NR复合材料tan%]的影响

4、纳米晶纤维素/天然橡胶复合材料的热稳定性

通过对天然橡胶硫化胶和NCC/NR复合材料的热降解性能分析。可以得到，NCC/NR复合材料的热分解温度和终止温度稍有提高，最大分解速率温度几乎没有变化。由此可知，在NR中加入NCC对天然橡胶的热稳定性影响不大。

三、结论

通过以上的实验分析我们可以得到如下结论：首先， 纳米晶纤维素对天然橡胶起到了较好的补强作用，在纳米晶纤维素用量为4%时，复合材料的综合性能最好；其次，纳米晶纤维素使复合材料的储能模量明显提高，损耗因子峰值则有所降低，复合材料的玻璃化温度向低温方向移动；此外，在天然橡胶中加入纳米晶纤维素对天然橡胶的热稳定性影响不大。

参考文献：

[1]崔明，刘振东，李立平.橡胶纳米填料应用研究进展[J].橡胶工业，2004，51（4）：249-252.

[2]高琼芝，周彦豪，陈福林，等.纳米技术在橡胶工业中应用的新进展[J].合成橡胶工业，2003，26（4）：197-202，211.

[3]Harding R W，Shorpshire W Jr.Photocontrol ofcarotenoid biosynthesis.Annual Review of PlantPhysiology，1980，31：217-238.

（作者单位：郑州大学材料科学与工程学院）