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随着橡胶工业的迅速发展,对橡胶制品提出了更高的要求,橡胶材料必须向着多功能化、高性能化的方向发展。针对高性能橡胶基体及橡胶复合材料的研究,对橡胶材料的发展具有重要意义。研究助剂与橡胶的相容性,填料对橡胶材料的增强机理,可以指导橡胶配方的设计,获得更高性能的橡胶复合材料。同时,围绕高性能的天然橡胶基体材料,开展自增强机理的研究,并通过大力开发天然橡胶替代资源,及天然橡胶的体外生物合成,可以缓解天然橡胶的资源压力,获得来源更广,性能更好的橡胶基体材料。在高性能橡胶及其复合材料的研发过程中,微观结构和化学组成会影响材料的宏观性能,进而影响材料的应用范围。围绕橡胶及其复合材料的多尺度表征,本论文主要包括以下几个研究内容:(1)基于峰值力定量纳米力学原子力显微镜(PF-QNMAFM)建立了一种对橡胶复合材料进行相态特征识别的新方法,从而可客观、定量地观测橡胶复合体系中各相的特征形态分布。应用该方法,对比了 5种不同功能树脂与溶聚丁苯橡胶(SSBR)的相容性。利用纳米红外(AFM-IR)从树脂与SSBR共混体系各相态化学组成的角度揭示了 5种树脂与SSBR的分子级相容。采用变温PF-QNMAFM直接观测到了树脂受热软化后在不同相区的迁移,导致各相态浓度差异减小的现象。结合微观相态分布及宏观动态性能得出,树脂在丁二烯链段区域的富集浓度与胎面胶动态性能具有很好的对应关系。(2)采用PF-QNMAFM的相态识别分析方法,客观、定量、可视化地观察到了过氧化物硫化的异戊橡胶(P-IR),过氧化物硫化的天然橡胶(P-NR)以及硫磺硫化的天然橡胶(S-NR),在单轴拉伸过程中各微观相态的结构演化。从更大尺度上观察到了在拉伸过程中与结晶相关的结构演化及其对橡胶材料宏观性能的增强机制,从而对IR及NR的应变诱导结晶有了新的认识。此外,通过环氧化作用对NR应变诱导结晶影响的机理探究,得出适当环氧度,即环氧化程度为25%时,可以促进NR的应变诱导结晶,获得更高的结晶度和撕裂强度,以上研究为得到高性能的橡胶基体材料奠定了基础。(3)采用PF-QNMAFM的相态识别方法,可视化、定量化地观测到了碳纳米管(CNT)和氧化石墨烯(GO)在NR中的分散状态以及纳米填料与橡胶基体的界面相互作用。通过AFM直观地观测到了拉伸过程,不同NR纳米复合材料体系中,填料及橡胶基体的结构演变过程,并结合力学性能和XRD的测试结果,解释了 CNT和GO对NR应变诱导结晶的不同作用机理,以及纳米填料对NR的增强机制,为得到高性能橡胶纳米复合材料提供了理论基础。(4)基于液相色谱-质谱联用技术(LC-MS/MS)建立了一种测定天然橡胶生物合成单体,二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)和法尼基焦磷酸(FPP)含量的定量方法;应用建立的定量方法,可以实现对三叶橡胶树以及杜仲生物合成过程中的单体DMAPP和FPP含量的实时、定量追踪,进而为探明其生物合成路径,体外合成天然橡胶奠定了研究基础。(5)从天然产胶植物杜仲叶中,以乙酸乙酯为溶剂提取得到了一种生物基补强型增塑剂-杜仲树脂,并将其应用到常用的非极性橡胶中,研究结果表明,杜仲树脂可以有效改善橡胶的加工性,同时起到促进硫化、补强、增韧、改善动态疲劳性能的作用。采用全二维气相色谱-质谱联用技术,从组分分析角度揭示了杜仲树脂具有多重功效的原因。杜仲树脂作为一种功能型增塑补强剂,顺应了目前橡胶工业节能降耗的发展趋势,同时,对杜仲树脂的综合开发利用,可以有效降低杜仲胶的生产成本,为缓解天然橡胶的需求压力提供帮助。