加拿大拉瓦爾大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)天然橡膠中的替代品

加拿大拉瓦爾大學(xué)也是加拿大主要的科研類大學(xué)之一，在著名的《麥克琳雜志》(Maclean's Magazine)的大學(xué)排行榜上，居研究類大學(xué)前十位。大學(xué)擁有125個科研組和科研中心，每年能創(chuàng)收1.5億加元，其中四分之一的收入來自與私營企業(yè)的合作合作項目。

炭黑（CB）能夠有效地增強天然橡膠（NR）的各項性能，是天然橡膠最常用的增強填料。然而，CB是一種來源于石油的材料，CB的生產(chǎn)需要消耗大量的能源，從而導(dǎo)致環(huán)境問題和更高的生產(chǎn)成本。而木質(zhì)纖維素填料作為生物填料，具有低成本、易獲得、可再生、和生態(tài)友好性等優(yōu)勢，這使得它們有希望替代炭黑應(yīng)用在NR復(fù)合材料中。

木質(zhì)纖維素是從植物中提取的，它們的主要成分相似，均為纖維素、木質(zhì)素和半纖維素，但具體組成比例與植物的種類相關(guān)，不同的化學(xué)成分差異會導(dǎo)致不同的機械性能。

最近，加拿大拉瓦爾大學(xué)的Denis Rodrigue教授團隊將纖維素、木質(zhì)素以及黑云杉纖維素紙漿，部分替代傳統(tǒng)的填料炭黑，用于天然橡膠（NR）的增強改性。

該工作以題為“Cellulose and lignin as carbon black replacement in natural rubber”的論文發(fā)表在期刊《Journal of Applied Polymer Science》上。

/用天然填料部分替代CB/

所使用的木質(zhì)纖維素填料成分比例如表1所示。A1為黑云杉紙漿纖維素，A2-A7的木質(zhì)素含量逐漸降低，纖維素含量逐漸提高。

表1不同木質(zhì)纖維素填料的化學(xué)組成

如T1所示，為填料A1，A2，A4和A7的SEM顯微照片?？梢钥闯?，黑云杉生纖維呈圓柱形，長徑比約為5，而高L/C比的填料(A2)呈顆粒狀，這是因為纖維素大部分被提取，主要是木質(zhì)素。另一方面，低L/C比的填料(A7)是由于脫木質(zhì)素比例較高而具有較高長徑比(約25)的纖維。對于中等的L/C值(接近1)，T1 e,f(A4)沒有明確的形狀，這代表了部分木質(zhì)素萃取后纖維和顆粒的隨機組合，與纖維結(jié)構(gòu)的破壞有關(guān)。

T1所選的木質(zhì)纖維素填料的SEM顯微照片。（a-b）A1，（c-d）A2，（e-f）A4，和（g-h）A7

如T2所示，為所選復(fù)合材料的SEM顯微照片。T2 a,b為未經(jīng)處理的黑云杉纖維改性后的NR復(fù)合材料，而黑云杉纖維與NR的相容性不好，纖維的周圍存在大量空隙，同時，斷面纖維的拔出可以表明，主要的破壞機制是增強體與基體之間的界面滑移。在T1 g,h中可以看到，A7纖維具有最好的脫木質(zhì)素程度，相比于未處理的黑云杉纖維具有高長徑比，這也導(dǎo)致它具有更好的界面性能。從T2 g,h中可以看到，A7纖維相比于黑云杉纖維更好地融入了基體材料中。對比A1和A7纖維以及其NR復(fù)合材料的的SEMT像，可以說明填料的大小和形狀在共混過程中并沒有發(fā)生變化。而T2 c,d中表明，在將A2纖維引入NR中后，填料的體積變小了，這說明A2纖維在共混過程中被破壞了，A2纖維的粒徑越小，其與NR基體的比表面積越大，空隙越少。因此，A2/NR復(fù)合材料具有更好的填料分散性和更光滑的表面。

T2所選復(fù)合材料的SEM顯微照片（a-b）A1/NR，（c-d）A2/NR，（e-f）A4/NR，（g-h）A7/NR

/硫化性能/

A1-A7/NR復(fù)合材料的硫化特性如T3所示。結(jié)果表明，用木質(zhì)纖維素填料替代炭黑，可以顯著增加焦燒時間和硫化時間。這是由于特別是在富含纖維素的木質(zhì)纖維素填料中，存在大量的脂肪族羥基官能團。這些羥基會吸附并使硫化促進劑（TBBS）失活，從而導(dǎo)致更慢的硫化動力學(xué)。

T3 A1-A7/NR復(fù)合材料的硫化特性（a）焦燒時間（t,10）和最佳硫化時間（t,90）；（b）最小扭矩（ML）和最大扭矩（MH）

/機械性能/

對A1-A7/NR復(fù)合材料的力學(xué)性能測試結(jié)果如T4所示。結(jié)果表明，L/C在0.6-1的范圍內(nèi)（A3，A4，A5），試樣的拉伸強度和斷裂伸長率均低于其他試樣。這是由于這幾組樣品的填料尺寸分布不均勻，導(dǎo)致填料-基體應(yīng)力傳遞受到干擾。

T4 A1-A7/NR復(fù)合材料的機械性能（a）拉伸強度；（b）斷裂伸長率；（c）M100；（d）硬度

/用天然填料完全替代CB/

進一步地，采用工業(yè)上的纖維素和木質(zhì)素填料，完全替代炭黑與NR混合制備復(fù)合材料。工業(yè)纖維素和木質(zhì)素填料的SEM照片如T5所示。加拿大醫(yī)博類大學(xué)

T5（a-b）纖維素和（c-d）木質(zhì)素的SEM

通過天然填料改性NR復(fù)合材料的SEM照片如T6所示。從復(fù)合材料的SEM照片中可以看到，木質(zhì)素填料的尺寸相比于共混前進一步減小了，這說明在共混復(fù)合過程中導(dǎo)致了木質(zhì)素填料的破碎。而纖維素纖維由于具有較強的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和較高的柔韌性，其填料尺寸沒有發(fā)生變化。但SEM照片同樣證實了，纖維素纖維對于NR的相容性較差，界面存在大量空隙，同時也會發(fā)生比較嚴重的團聚現(xiàn)象。與纖維素纖維相比，木質(zhì)素填料具有更強的疏水性，作為填料可以獲得更好的填料-基體相容性和分散性。

T6天然填料改性NR復(fù)合材料（a-b）C10，（c-d）L10，（e-f）C40和（g-h）L40的SEM照片

/佩恩效應(yīng)/

為了研究橡膠復(fù)合材料的填料-填料相互作用，通過流變測試表征了佩恩效應(yīng)，結(jié)果如T7所示。木質(zhì)素的填料-填料相互作用弱于炭黑，而纖維素的填料-填料相互作用強于炭黑。

T7復(fù)合材料樣品的佩恩效應(yīng)分析（應(yīng)變掃描）

更多留學(xué)干貨內(nèi)容，歡迎繼續(xù)關(guān)注學(xué)在加拿大官網(wǎng)和美國留學(xué)網(wǎng)以及我們的官方微信服務(wù)號。

更多留學(xué)申請規(guī)劃問題歡迎掃碼聯(lián)系小助手免費咨詢獲取干貨資料包

加拿大拉瓦爾大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)天然橡膠中的替代品

研究了兩種木質(zhì)纖維素填料對于NR復(fù)合材料的性能影響。較高的木質(zhì)素/纖維素（L/C）比的填料會導(dǎo)致較高的拉伸強度和斷裂伸長率，但會導(dǎo)致較低的模量和硬度。纖維素和木質(zhì)素完全替代炭黑可以延長硫化時間，但會造成最大扭矩下降。采用NR和天然木質(zhì)纖維素填料準備復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)的炭黑可以實現(xiàn)顯著的力學(xué)性能和加工性能的提升。

加拿大拉瓦爾大學(xué)的歷史可追溯到1663年，新法蘭西的第一位主教——拉瓦爾的弗蘭主教在法國國王路易十四的授權(quán)下成立了魁北克研究院。1852年，維多利亞女王頒布了皇家憲章將魁北克研究院改為拉瓦爾大學(xué)。1878年拉瓦爾大學(xué)在蒙特利爾建立了新校區(qū)，此校區(qū)以高等教育為主。1920年蒙特利爾校區(qū)改為蒙特利爾大學(xué)。拉瓦爾大學(xué)是加拿大第一所大學(xué)，也是北美洲第一所法語授課的高等教育院校。

加拿大拉瓦爾大學(xué)設(shè)有管理科學(xué)學(xué)院、農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院、教育學(xué)院、林業(yè)與大地測量學(xué)學(xué)院、法學(xué)院、文學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、科學(xué)與工程學(xué)院等12所學(xué)院以及建筑、牙科、音樂等8所學(xué)校。在課程評估、教學(xué)規(guī)劃以及國際化教學(xué)和科研方面，拉瓦爾大學(xué)在加拿大各大學(xué)中都是首屈一指的。