作为一种具有重要战略意义的材料,橡胶广泛用于轮胎、密封圈、减震器等领域。为了满足产品对性能的要求,橡胶通常需要一定的补强,因为原始橡胶的机械性能较差。在橡胶中混入纳米补强剂是橡胶补强最常用的方法,其中,纤维素纳米晶(CNCs)因其优异的物理化学性能引起了人们广泛的关注。另一.方面,受大自然的启发,人们发现能量耗散机制能够用来提高橡胶的机械性能。在本论文中,我们讨论了几种橡胶补强体系,它们涉及到纤维素纳米晶和能量耗散机制。概要如下:1.由于较差的界面相容性,橡胶基纤维素纳米晶(CNCs)纳米复合材料的制备需要克服诸多难题,尤其是CNCs的分散。本工作中,我们报道了一种基于β-环糊精((pCD)-金刚烷主客体相互作用制备聚丁二烯(PB)/CNC纳米复合材料的方法。预先修饰到PB分子链中的金刚烷能够与βCD反应形成βCD-金刚烷包合物,它与CNCs通过氢键相互作用削弱CNCs的自团聚趋势,促使CNCs均匀分散于纳米复合材料中。拉伸实验和DMA表征显示,CNCs对PB补强效果显著,例如,相比于PB,ADPB/10βCD/15CNC的储能模量、杨氏模量和拉伸强度提升了一个数量级。体系中,βCD和CNCs含量的增加使损耗角tan δ向高温方向移动,表明CNCs和基体间良好的界面相容性。此外,SEM、TEM和POM的结果表明,CNCs在纳米复合材料中取向平行排列。CNC-CNC和CNC-基体间强的相互作用利于体系应力传递,是CNCs对PB补强的关键。2.基体和填料间的界面相互作用对聚合物基纳米复合材料的机械性能至关重要。本工作中,利用“Thiol-ene”化学反应,我们分别制备了羧基修饰和轻基修饰的PB(PB-COOH和PB-OH),并以它们为基体制备了一系列CNCs补强的纳米复合材料。由SEM和TEM实验可知,即使在30 wt%CNCs用量下CNCs也能够均匀分散到PB-COOH和PB-OH中,这是由于极性基团羧基和轻基的引入有效的改善了 PB和CNCs的界面相容性。DMA和拉伸实验的结果表明,CNCs的引入使PB-COOH和PB-OH的机械性能显著提升,而且相同CNCs用量下,对PB-COOH体系有更好的补强效果。机械性能的提升除了 CNCs在体系中在均匀分散,基体-CNC和CNC-CNC相互作用也起到至关重要的作用,我们采用FTIR、DSC、阈渗理论等分析方法证实了 PB-COOH/CNC体系中更强的界面相互作用是CNCs对PB-COOH更好的补强效果的根本原因。3.在橡胶中构建有效的能量耗散机制能够显著提升其机械性能,然而,橡胶中较少的牺牲键引入活性位点限制了该方法的广泛使用。本工作中,我们介绍了一种简单的方法,在异戊橡胶(PI)中构建含有多重氢键的双交联网络。该方法基于1,2,4-三唑-3,5-二酮(TAD)衍生物(TADnBu、TAD-TAD、TAD-UPy)的制备以及它们与PI的“TAD-ene”点击反应。首先,我们利用TADnBu研究了TAD与PI的反应活性,结果表明,TADnBu能够快速定量接枝到PI分子链中。其次,我们制备了一系列含有不同摩尔分数TAD-TAD和TAD-UPy的PI双交联网络,并研究了它们的结构与性能的关系。最后,拉伸循环实验结果显示了.氢键网络断裂和重组过程,表现出良好的能量耗散效果。我们的工作为能量耗散机制在橡胶中的构建提供了一种简单有效的方法。4.在橡胶基CNCs纳米复合材料制备中,同时提升机械性能并保持较高的延展性仍然面临巨大挑战。本工作中,通过在界面中引入动态Si-O键并构筑动态多重网络,我们介绍了一种制备高强度和高延展性的PI/CNCs纳米复合材料的方法。牺牲键通过键断裂-键形成过程使得纳米复合材料保持较高的延展性。当PI/CNCs纳米复合材料受到外力时,牺牲键优先于共价网络断裂,发生能量耗散,提升材料的弹性模量和拉伸强度。PI/CNCs纳米复合材料的机械性能能够通过改变CNCs和金属离子的含量来调节。值得注意的是,由于体系中化学键的动态特性,PI/CNCs纳米复合材料有非常好的再加工性能。