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炭黑(Carbon black,CB)是橡胶产业中最重要的填料,但其来源于石油等不可再生资源,在加工中容易造成环境污染,因而亟需新的填料替代CB。秸秆中含有约50%的纤维素,纤维素具有可降解、低密度、高模量、高强度等优点。将纳米纤维素部分替代CB补强橡胶,可以减少不可再生能源的使用、降低环境污染,同时可改善橡胶制品的降解性能,增加回收利用价值。本论文以秸秆为原料,通过碱解、氧化和酸解等步骤制备纳米级的秸秆纤维素(Stalks nanocellulose,SNC),并研究SNC部分替代CB对CB补强天然橡胶(Natural rubber,NR)性能的影响,并将NR/CB/SNC复合材料与45phr CB补强NR(以下称NR/CB体系)的性能进行比较,同时研究SNC与CB协同复配对NR的补强效果。结果发现,SNC的加入改善CB补强的NR的加工性能、压缩生热和降解性能,随着SNC的增加,NR/CB/SNC复合材料的材料的Payne效应减弱,压缩生热逐渐降低,力学性能、耐磨耗性能和抗屈挠龟裂性能总体呈先升后降趋势,其中含10phr SNC的NR/CB/SNC复合材料性能最佳,可保持NR/CB体系的性能。利用双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物(Si-69)对SNC进行接枝制备出改性秸秆纳米纤维素(MSNC),并用其部分替代CB制备NR/CB/MSNC复合材料。研究表明,MSNC的加入使CB补强NR的相比NR/CB/SNC体系的payne效应和压缩生热进一步降低。随着MSNC的增加,NR/CB/MSNC复合材料的力学性能和耐磨耗性能呈先升后降的趋势,相比NR/CB/SNC体系性能明显提高,其中MSNC为10phr时,NR/CB/MSNC复合材料的力学性能最佳且明显优于NR/CB体系。NR/CB/MSNC复合材料的热稳定性和老化性能可优于NR/CB/SNC复合材料。通过SNC和MSNC对填料与橡胶间的界面相互作用的影响,并与NR/CB复合材料的界面作用进行对比,研究SNC和MSNC对NR的补强机理,NR/CB/MSNC复合材料比NR/CB体系和NR/CB/SNC体系具有更厚的受限橡胶分子层,同时拥有更低的滚动阻力。NR/CB/MSNC复合材料中填料(CB/MSNC)与橡胶之间具有强相互作用,在填料附近有更多的取向分子链。利用粘合剂酚醛树脂(Phenol-formaldehyde resin,PF)增强SNC、CB与NR间的界面粘结,制备NR/CB/SNC/PF复合材料。研究表明,相比NR/CB/SNC复合材料,PF的加入提高了复合材料的力学性能和交联密度,缩短硫化时间,减少磨耗和降低压缩生热,提高了填料和NR的相互作用,使得填料和橡胶基体界面结合紧密,同时也提高了材料热稳定性。