【摘 要】
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橡胶由于自身独特的粘弹性成为轮胎行业中不可或缺的材料。然而,纯橡胶难以满足其实际应用需求,常常需要加入填料对橡胶进行补强。通过将白炭黑（SiO2）与溶聚丁苯橡胶（SSBR）共混制备SSBR复合材料及应用于轮胎胎面胶,能极大改善轮胎的抗湿滑和滚动阻力性能。但随着对轮胎高耐久、高耐磨、高导热等综合性能要求的不断提高,单一添加SiO2制备的SSBR复合材料难以满足这诸多综合性能需求。石墨烯（GE）具有大
【基金项目】
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“石墨烯/白炭黑/SSBR体系的分子模拟及实验制备与性能研究”得到了国家自然科学基金（No.51873017）；
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橡胶由于自身独特的粘弹性成为轮胎行业中不可或缺的材料。然而,纯橡胶难以满足其实际应用需求,常常需要加入填料对橡胶进行补强。通过将白炭黑（SiO2）与溶聚丁苯橡胶（SSBR）共混制备SSBR复合材料及应用于轮胎胎面胶,能极大改善轮胎的抗湿滑和滚动阻力性能。但随着对轮胎高耐久、高耐磨、高导热等综合性能要求的不断提高,单一添加SiO2制备的SSBR复合材料难以满足这诸多综合性能需求。石墨烯（GE）具有大的比表面积,强的机械性能和优秀的导热性,GE的加入有望弥补SiO2补强SSBR复合材料耐磨性差和导热性差的缺点,从而提升轮胎的整体安全性。但SiO2和GE均为无机填料,在SSBR有机基体中的分散性差,容易形成团聚体。因而需对填料的分散以及填料-橡胶的界面相互作用两个关键性因素进行深入探讨。本论文通过分子动力学（MD）模拟方法,构建了不同填料/SSBR复合体系。通过平衡分子动力学模拟方法,探讨了填料与SSBR分子链之间界面相互作用的机理,利用非平衡分子动力学模拟,计算预测SSBR复合体系的导热性能。基于理论预测,通过硅氢加成反应制备了石墨烯负载二氧化硅（r GO-g-SiO2）杂化填料以及r GO-g-SiO2/SSBR复合材料,研究了其动态、静态力学性能和导热性能。将实验结果与模拟预测相结合,分析了微观机理对SSBR复合材料的宏观性能影响。具体研究内容如下:（1）通过MD模拟,设计了r GO-g-SiO2杂化结构和不同填料/SSBR复合体系,主要包括:未改性SiO2的SiO2/SSBR复合体系,γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）改性SiO2的SiO2-K/SSBR复合体系,未改性还原氧化石墨烯（r GO）的r GO/SSBR复合体系,未改性r GO和SiO2的r GO/SiO2/SSBR复合体系,分别用1,1,3,3-四甲基-1[2’-（三乙氧基硅基）乙基]-二硅氧烷（TTED）改性r GO和KH570改性SiO2的r GO-T/SiO2-K/SSBR复合体系,以及r GO-g-SiO2/SSBR复合体系。通过MD模拟计算发现,r GO-g-SiO2/SSBR复合体系具有较高的结合能,较低的自由体积分数和扩散系数,表明r GO-g-SiO2与SSBR分子链之间有着高的界面强度,有望提升SSBR复合材料的力学性能。另一方面,与r GO/SiO2/SSBR和r GO-T/SiO2-K/SSBR复合体系相比,r GO-g-SiO2/SSBR复合体系的导热系数和热扩散系数也有一定程度的增加,主要归因于r GO-g-SiO2/SSBR复合体系具有低的界面热阻,增大了r GO-g-SiO2与SSBR基体之间的界面声子匹配度,有利于提高SSBR复合材料的导热性能。（2）依据以上填料分子结构的设计思路,通过硅氢加成反应,合成了x-r GO-g-SiO2（x表示r GO在r GO-g-SiO2中的重量分数）杂化填料,并制备了r GO/SiO2/SSBR、r GO-T/SiO2-K/SSBR和x-r GO-g-SiO2/SSBR复合材料。实验结果发现,1.5%-r GO-g-SiO2/SSBR复合材料具有较好的综合性能。与1.5%-r GO/SiO2/SSBR（物理共混）复合材料相比,1.5%-r GO-g-SiO2/SSBR复合材料的补强因子和导热系数分别提高了168.7%和114.0%,0℃,损耗因子提升了119.7%,60℃时的损耗因子下降了20.1%,表明其在兼具优良的力学和导热性能的同时,还表现出较好的抗湿滑和滚动阻力性能。另外,1.5%-r GO-g-SiO2/SSBR复合材料的磨耗体积和压缩生热与1.5%-r GO/SiO2/SSBR复合材料相比分别降低了28.9%和33.6%。表明所制备的x-r GO-g-SiO2填料能够有效地提高SSBR复合材料的综合性能,与模拟预测结果一致。所采用的分子模拟结合实验的研究范式为橡胶纳米复合材料的设计与制备提供了一条的新途径。
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