双功能修饰微纤化纤维素调控分散性与硫反应活性以增强弹性体纳米复合材料性能

针对微纤化纤维素(MFC)在疏水性弹性体中分散性与界面粘附难以兼顾的问题，研究人员通过油酰氯和丙烯酰氯双功能修饰策略，在保留纤维结晶度与热稳定性的同时，实现了MFC在丁苯橡胶(SBR)/二氧化硅(Zeosil MP200)纳米复合材料中的协同增强。该研究使复合材料的储能模量提升30%、耐磨性提高60%，为开发轻量化可持续轮胎材料提供了新思路。

　　

随着全球对可持续材料需求的增长，纤维素作为地球上最丰富的生物聚合物，其高拉伸强度和低密度特性使其成为聚合物基复合材料的理想增强填料。然而，亲水性的微纤化纤维素(MFC)与疏水性弹性体（如丁苯橡胶SBR）的相容性差，传统单一改性常导致纤维结晶度下降或热稳定性受损。更棘手的是，分散性与界面粘附的平衡难题长期制约MFC在轮胎等高性能领域的应用。与此同时，传统轮胎增强填料二氧化硅密度较高(2.0–2.2 g/cm³
)，而纤维素衍生物(1.5 g/cm³
)的轻量化优势尚未充分挖掘。

针对这些挑战，来自Goodyear Tire & Rubber Company等机构的研究团队在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》发表创新成果。研究者提出双功能修饰策略，通过油酰氯(oleoyl chloride)和丙烯酰氯(acryloyl chloride)的协同作用，在MFC纤维上同时引入疏水长链和反应性双键，既保持纤维本征特性，又实现与橡胶基体的共价交联。这种"一石二鸟"的设计使复合材料性能显著提升，为开发下一代绿色轮胎材料开辟了新路径。

研究采用多尺度表征与性能测试相结合的技术路线。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和固态核磁共振(¹³
C ssNMR)验证修饰基团嫁接，X射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)评估纤维结构完整性，扫描电镜(SEM)观察形貌变化。复合材料采用布拉本德密炼机分三阶段混炼，通过橡胶加工分析仪(RPA)研究硫化动力学，并测试拉伸性能和DIN 53516标准耐磨性。

3.1 纤维素修饰
创新性地采用两步法修饰：先以油酰氯在100°C反应5小时构建疏水外壳，再以丙烯酰氯在50°C接枝反应性双键。通过控制取代度(DS≤0.5)和使用非溶胀溶剂DMAc，成功保留纤维氢键网络。核磁分析显示双键与羰基特征峰，证实双功能修饰成功，其中油酰基DS=0.085，丙烯酰基DS=0.319。

3.2-3.6 结构表征
FTIR在1720 cm^-1
出现特征羰基峰，XRD显示修饰后结晶度仅从55.4%微降至53.8%。SEM证实纤维形貌完好，TGA揭示双修饰样品(MOA)热分解温度比单修饰(MO)提高100°C，归因于丙烯酰基的稳定作用。这些结果证明双功能修饰在分子尺度实现了"精准外科手术"般的调控。

3.7 硫化特性
RPA分析显示MOA复合材料的交联密度最高(18.6 dNm)，比参比样品(17.8 dNm)更优。虽然丙烯酰基延长了T90硫化时间至6分钟，但赋予材料更稳定的三维网络结构，为后续性能提升奠定基础。

3.8-3.9 力学增强
应变扫描中MOA的储能模量(G′)最高，填料网络破坏率最低。拉伸测试表明其极限强度超越参比样品，归因于双功能协同效应：油酰链促进分散，丙烯酰基通过硫交联构建共价界面。这种"物理-化学双锚定"机制使材料在170%应变后仍保持优势。

3.10 耐磨性能
MOA的体积磨损量(153 mm)显著低于单修饰样品(224 mm)，耐磨评级达参比样的90%。丙烯酰基的共价交联有效抑制了界面剥离，证明双功能修饰可攻克纤维素复合材料的关键应用瓶颈。

该研究通过分子设计破解了MFC在弹性体中的应用难题：油酰基的"分散盾牌"与丙烯酰基的"粘附利剑"协同作用，在保留纤维本征性能的同时，使复合材料实现储能模量30%提升和耐磨性60%飞跃。这种双功能修饰策略不仅为轻量化轮胎材料开发提供了新范式，其"结构-性能"精准调控思路更可拓展至其他生物基复合材料体系。未来研究可进一步优化修饰基团比例，探索MFC-二氧化硅杂化网络的协同增强机制，推动可持续高分子材料走向实际应用。