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新型核壳乳胶粒子填料的制备工艺与橡胶填充性能的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

橡胶工业作为国民经济的重要产业支柱，与工业、农业、交通运输、国防建设和人民生活密切相关。从日常生活中的轮胎、胶鞋，到工业领域的密封件、输送带，再到国防军工中的各种橡胶制品，橡胶的应用无处不在。然而，由于橡胶自身存在一些性能局限，如低内聚能和模量，在绝大多数情况下，需要使用细粒子填料对其进行补强，以满足实际应用的需求。

自20世纪初发现炭黑对橡胶有补强作用以来，炭黑一直是橡胶制品最重要的补强剂。目前，世界炭黑产量的大部分用于橡胶工业。然而，炭黑在生产和应用中存在污染问题，且轮胎用橡胶的滚动阻力较大，动态受力橡胶制品的疲劳生热较高，导致其疲劳寿命大大缩短。除炭黑外，白炭黑也是常用的橡胶填料，它对橡胶的补强性能接近炭黑，且填充白炭黑的轮胎橡胶具有摩擦力大、滚动阻力小及橡胶硬度随温度变化小等优点。但是，白炭黑在制造工艺中很难与橡胶混合，一旦胶料中出现白炭黑不良分散块，就会导致胶料强度降低、轮胎易磨损等问题。

随着科学技术的不断发展，对橡胶材料性能的要求越来越高，传统的填料已难以满足这些需求。因此，开发新型高效的填料成为橡胶科学研究的重点和热点。核壳乳胶粒子填料由于其独特的结构，能够结合核与壳两种材料的优越性，为解决橡胶补强问题提供了新的思路。通过合理设计核壳结构，选择合适的核壳材料，可以实现对橡胶性能的精准调控，提高橡胶的综合性能，拓展橡胶的应用领域。例如，在航空航天领域，要求橡胶材料具有轻质、高强度、耐高温等性能，核壳乳胶粒子填料的应用有望满足这些特殊需求。

此外，研究新型核壳乳胶粒子填料及其填充橡胶，对于推动橡胶工业的绿色可持续发展也具有重要意义。传统填料在生产和使用过程中可能对环境造成污染，而新型填料的开发可以降低对环境的影响，同时提高橡胶制品的性能和使用寿命，减少资源浪费，符合当前社会对绿色环保和可持续发展的要求。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者对新型核壳乳胶粒子填料的制备及其填充橡胶展开了广泛研究，取得了一定的成果。在制备方法方面，种子乳液聚合是常用的方法之一。辛丹丹等人以过硫酸钾为引发剂，十二烷基磺酸钠和壬基酚聚氧乙烯醚为复合乳化剂，采用预乳化-半连续种子乳液的聚合方法成功合成了聚丙烯酸丁酯-聚（甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯）核壳乳胶粒子，并通过化学改性得到壳层含氨基基团的核壳乳胶粒子，研究发现壳层聚苯乙烯含量对壳层氨基含量及玻璃化转变温度有显著影响。

在填充橡胶性能研究方面，诸多研究表明核壳乳胶粒子填料能够有效改善橡胶的性能。刘亚康等人采用种子乳液聚合方法合成纳米级单分散交联聚苯乙烯微球，然后以其为核通过种子乳液聚合接枝异戊二烯或丁二烯，合成“硬核软壳”的乳胶微球，填充到丁苯橡胶中，发现乳液共混共沉法可使丁苯橡胶获得更好的性能。

然而，当前研究仍存在一些不足。部分制备方法较为复杂，成本较高，不利于大规模工业化生产；对于核壳乳胶粒子与橡胶之间的界面相互作用及作用机理的研究还不够深入，这在一定程度上限制了对橡胶性能的进一步优化；此外，针对不同应用场景，如何精准设计核壳结构和选择核壳材料，以实现橡胶性能的最优化，还需要进一步的探索和研究。

1.3研究内容与方法

本研究旨在制备新型核壳乳胶粒子填料，并深入探究其填充橡胶的性能。具体研究内容如下：

核壳乳胶粒子填料的制备：采用种子乳液聚合等方法，以特定单体和交联剂合成核壳乳胶粒子，通过控制反应条件，如引发剂用量、乳化剂种类和用量、反应温度和时间等，精确调控核壳乳胶粒子的结构和性能，包括粒径大小、粒径分布、核壳比例等。

核壳乳胶粒子填充橡胶的性能研究：将制备的核壳乳胶粒子填充到橡胶基体中，通过一系列测试手段，如力学性能测试（拉伸强度、撕裂强度、定伸应力等）、动态力学性能测试（动态力学分析，DMA）、热性能测试（差示扫描量热仪，DSC；热重分析仪，TGA）等，全面研究填充橡胶的各项性能，分析核壳乳胶粒子对橡胶性能的影响规律。

影响因素研究：探究不同因素对核壳乳胶粒子填充橡胶性能的影响，如核壳乳胶粒子的结构参数（粒径、核壳比例等）、填充量、橡胶基体种类等，明确各因素与橡胶性能之间的关系，为优化橡胶配方和制备工艺提供理论依据。

在研究方法上，主要采用以下方法：

实验研究法：通过设计并实施一系列实验，合成核壳乳胶粒子，制备填充橡胶样品，并进行各种性能测试，获取实验数据。

对比分析法：对比不同制备条件下核壳乳胶粒子的结构和性能，以及不同配方填充橡胶的性能差异，分析各因素的影响，筛选出最佳的制备条件和橡胶配方。

仪器分析测试法：运用激光粒度分析仪、透射电子显微镜、傅立叶变换红外观谱仪、元素分析仪、差示扫描量热仪、热重分析仪等多种先进仪器，对核壳乳胶粒子和填充橡胶进行全面的结构表征和性