轮胎在汽车行驶中起到缓冲、传递牵引力与制动力作用,由最原始的木头制品逐渐发展为高弹性橡胶制品。随着经济社会的不断发展,能源和环境问题日益严峻,人们开始关注安全、节能、环保的高性能轮胎。本论文以平衡复合材料滚动阻力、抗湿滑性、耐磨性三方面性能(“魔三角”)为目标,利用聚合物-聚合物之间分子链缠结和相容性原则,设计制备了几种聚合物胶乳包覆改性的纳米二氧化硅(SiO2),研究了其作为填料制备的小轿车胎面配方胶的“魔三角”性能。通过探讨结构与性能的关系,以期设计合成出具有应用前景的表面改性纳米二氧化硅。主要研究内容和结果如下:1.氯丁橡胶胶乳包覆改性纳米SiO2的制备及其在胎面胶中的应用研究采用液相原位修饰方法,首先合成了六甲基二硅氮烷(HMDS)修饰的纳米SiO2(表面按不同有机物含量分别命名为HB105、HB110、HB120),然后再利用氯丁橡胶(CR)胶乳梯度修饰SiO2,经喷雾干燥所得到的样品与溶聚丁苯橡胶(SSBR)和顺丁橡胶(BR)按一定配方比例共混,研究其对复合材料动静态力学性能的影响。研究表明,仅利用HMDS修饰纳米二氧化硅虽然可明显提高复合材料耐磨性与抗湿滑性,但同时也增加滚动阻力,并不是理想的胎面胶填料。CR胶乳在水相中与SiO2为静电吸附作用,喷雾干燥后CR分子链蜷曲包覆在纳米二氧化硅表面。应变扫描结果显示CR改性后的复合材料Payne效应降低,二氧化硅分散性得到改善。经分析认为,CR的包覆作用降低了 SiO2表面极性并减少了 SiO2颗粒间直接接触的几率,同时减少硅羟基和硅羟基之间形成的氢键数量,从而削弱纳米SiO2在橡胶基体中的絮凝程度。HB110-2.5%CR/SSBR/BR较未改性复合材料拉伸强度提高20.4%,在不提高滚动阻力前提下,抗湿滑性提高26.7%,耐磨性提高7.3%,可较好地平衡“魔三角”性能。2.乙烯-醋酸乙烯共聚物胶乳改性纳米SiO2的制备及其在胎面胶中的应用研究采用液相原位修饰方法,首先合成HB110型和HB120型纳米SiO2,在此基础上梯度修饰乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)胶乳,经喷雾干燥所得到的样品与SSBR和BR密炼制备了橡胶复合材料,并对其动静态力学性能进行研究分析。透射电子显微镜图片表明改性后纳米二氧化硅粒径略有增加;随着EVA修饰量增加比表面积逐渐减小,表面羟基数减少,可一定程度上屏蔽硅羟基极性,增强纳米二氧化硅与橡胶相容性;应变扫描结果显示改性后纳米二氧化硅在橡胶中分散性有所改善;DMA曲线表明填料与橡胶界面结合作用提高,且改性后材料抗湿滑性(HB120系列)明显改善。HB120-7.5%EVA/SSBR/BR在不牺牲耐磨性的前提下降低滚动阻力11.3%,提高抗湿滑性23.0%。3.功能性乙烯-醋酸乙烯共聚物胶乳改性纳米SiO2的制备及其在胎面胶中的应用研究在第二部分研究内容基础上进一步设计合成了环氧基封端型EVA(EVA-E)、羧基封端型EVA(EVA-C)、胺基封端型EVA(EVA-A)以及羟基封端型EVA(EVA-H)包覆改性的纳米二氧化硅,研究了其对橡胶复合材料性能的影响。并将前期可平衡“魔三角”的复合材料与市售纳米二氧化硅1165MP制备的复合材料性能进行了对比。研究表明,包覆在纳米二氧化硅表面的大分子避免了纳米二氧化硅颗粒间直接接触,团聚倾向减弱;功能性EVA所含极性基团与硅羟基之间形成氢键,可抑制二氧化硅颗粒间由氢键作用引起的团聚;扫描电子显微镜图片及应变扫描结果证实改性后的纳米二氧化硅在橡胶中分散性改善。与未改性复合材料相比,EVA-E改性的复合材料模量略有下降,抗湿滑性较高,耐磨性可提高31.0%;HB120-2.5%EVA-C/SSBR/BR抗湿滑性提高14.5%,耐磨性提高25.8%,拉伸强度与断裂伸长率达到最佳值;HB120-5%EVA-A/SSBR/BR兼具高抗湿滑性和低滚动阻力,耐磨性与未改性复合材料相当;EVA-H改性复合材料动态力学性能良好,耐磨性随EVA-H修饰量增加而降低。与1165MP/SSBR/BR相比,改性纳米二氧化硅橡胶复合材料耐磨性更佳,最高可提高41.0%,在不明显提高滚动阻力情况下获得与其相当或更高的抗湿滑性;其中HB120-1%EVA-H/SSBR/BR复合材料较1165MP/SSBR/BR耐磨性提高32.7%、滚动阻力降低26.9%、抗湿滑性提高3.3%,在高性能小轿车轮胎胎面胶领域具有应用潜力。该制备工艺简单易操作、过程环保、适合大规模生产,研究结果为工业化应用提供了一定的理论支持和基础数据。