微晶纖維素及其對橡膠的補強作用

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，纖維素在工業生產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，并通過對實驗制得的纖維素橡膠復合材料的微觀結構、物理機械性能、動態力學性能等進行分析，論述微晶纖維素對天然橡膠有較好的補強作用。

關鍵詞 纖維素 橡膠 補強

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、動物和細菌中。微晶纖維素，是由天然纖維素經稀無機酸水解達到極限聚合度的固體產物。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、極細微的白色短棒狀或無定形結晶粉末，其顆粒大小一般在20～80微米，極限聚合度在15～375，不具纖維性而流動性極強，不溶于水、稀酸、有機溶劑和油脂，在稀堿溶液中部分溶解、潤漲。

微晶纖維素主要有三個基本特征：首先，平均聚合度達到極限聚合度值；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，結晶度高于原纖維素；第三，具有極強的吸水性，并且在水介質中經強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物的總稱，而微晶纖維素只限于具有上述三個特征的水解纖維素。這個特征是衡量與檢驗微晶纖維素的唯一標準，也是區分微晶纖維素與水解纖維素的主要標準。

表明微晶纖維素性質的物化指標很多，主要有：聚合度、結晶度、結晶形態、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材料早已在工業上應用。但是將纖維素作為一種補強性填料特別是納米級補強填料在橡膠中應用，并不是非常普遍。與傳統的增強材料如玻璃纖維，炭黑，碳酸鈣等相比，生物纖維作為增強材料具有以下優勢：（1）豐富的可再生資源；（2）低成本；（3）低密度；（4）高比強度和高比強模量；（5）良好的熱穩定性；（6）環境友好材料。

二、微晶纖維素對橡膠的補強作用分析

在實驗室中用濃縮天然膠乳、納米晶纖維素，氧化鋅、硫磺、硬脂酸、促進劑M等，制備納米晶纖維素/天然橡膠（NCC/NR）復合材料，并分析測試這種復合材料的力學性能、微觀結構、動力學性能和熱穩定性。

1、納米晶纖維素/天然橡膠復合材料的力學性能

通過對不同用量的NCC對NCC/NR復合材料物理機械性能的影響的觀察。可看到，在NR中加入NCC后，復合材料的邵爾硬度、拉伸強度、300%定伸應力、拉斷伸長率、撕裂強度等性能都有較明顯的提高，這表明NCC對NR起到了較好的補強作用。隨著NCC用量的增加，除硬度外，NCC/NR復合材料的拉伸強度、300%定伸應力、拉斷伸長率、撕裂強度等性能都表現出先上升后下降的趨勢；在NCC用量為4份時，復合材料的綜合性能最好。這表明NCC對NR的補強存在一最佳用量，當NCC用量過高時，NCC之間產生團聚生成較大的顆粒，從而影響其補強效果。

2、納米晶纖維素/天然橡膠復合材料的微觀結構

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

3、納米晶纖維素/天然橡膠復合材料的動態力學性能

通過對NCC用量對NCC/NR復合材料的儲能模量和損耗因子的影響的分析，可看出，在NR中加入NCC后，復合材料的儲能模量明顯提高，并隨NCC用量的增加呈現先增大后降低的趨勢，在NCC用量為4%時，復合材料的儲能模量達到最大值。這與NCC對復合材料物理性能的影響一致。從圖1可看出，NCC/NR復合材料的損耗因子tan%]與儲能模量有很好的對應關系，儲能模量大損耗因子小。另外，從圖1還可看到，NCC的加入，復合材料的玻璃化轉變溫度tg向低溫方向移動，隨著NCC用量的增加，復合材料的tg有所波動。這與通常的聚合物增強的結果不同，還有待于作進一步深入的研究。

圖1 NCC用量對NCC/NR復合材料tan%]的影響

4、納米晶纖維素/天然橡膠復合材料的熱穩定性

通過對天然橡膠硫化膠和NCC/NR復合材料的熱降解性能分析。可以得到，NCC/NR復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對天然橡膠的熱穩定性影響不大。

三、結論

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

參考文獻：

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（作者單位：鄭州大學材料科學與工程學院）