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废棉材料的主要成分为棉纤维素,从废棉材料中提取出的废棉纳米微晶纤维素(Waste Cotton Nanocrystalline Cellulose,WCNC)除了具有天然纤维素的性质外,如来源广泛、可再生、可降解及环境友好等,其本身还具有非常优异的性能,如高模量、高强度、较大比表面积以及低密度等。将WCNC应用于与炭黑(CB)共同补强天然橡胶(NR)不仅能减少CB的使用量,而且某些性能甚至优于CB单独补强的橡胶。同时,废棉材料的利用还可以化废为宝,减轻环境污染。本文采用酸水解一步法从废棉材料中提取WCNC,探讨并确定最佳的制备方案。提取的WCNC为棒状结晶结构,直径约为40 nm,长度在200~600 nm之间。固定WCNC与CB总份数为45 phr,将WCNC与CB复配制备NR/CB/WCNC复合材料,并与45 phr CB单独补强NR的性能进行对比。研究表明,WCNC明显改善了CB在NR基体中的分散性,NR/CB的加工性能得到改善,正硫化时间(Tc90)缩短,压缩疲劳温升和压缩永久变形降低。当WCNC添加量在10~15 phr时,NR/CB/WCNC复合材料的拉伸强度和撕裂强度与45phr CB单独补强NR相近,同时滚动阻力降低,抗屈挠龟裂性能改善。此外,WCNC的加入有效改善了NR/CB的降解性能。为了降低WCNC表面极性,改善其与NR基体间的相互作用,本文利用KH550对WCNC进行表面改性制备改性废棉纳米微晶纤维素(m-WCNC),将其与CB复配制备NR/CB/m-WCNC复合材料。结果表明,改性后的m-WCNC疏水性提高,复合材料中的填料分散更均匀,Payne效应明显减弱。m-WCNC含量在不大于15 phr时,基本保持45 phr CB单独补强NR的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性能,一级屈挠龟裂性能得到改善,永久形变降低,同时拥有更低的滚动阻力值和玻璃化转变温度(Tg)。研究发现,粘合剂RH的加入能够增强WCNC与NR间的界面粘结作用,提高NR/CB/WCNC复合材料的交联密度,缩短正硫化时间,提高最大扭矩。当WCNC添加量近20 phr时,NR/CB/WCNC/RH基本保持45 phr CB补强NR的力学性能和耐磨性能。同时,滚动阻力、压缩生热和压缩永久形变更低,热分解性能得到改善。