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炭黑(CB)作为橡胶主要的补强填料，补强性能优异，因其污染环境并且依赖石油资源，随着世界石油资源的日益短缺和人类对生存环境要求的逐步提高，寻找一种替代CB，环境友好而廉价的补强填料成为研究热点。木质纤维素是一种来源广泛，低成本且环境友好的天然高分子材料;蒙脱土作为层状天然硅酸盐物质，价廉易得且具有纳米尺度，对橡胶具有良好的补强性。本课题将来源丰富的木质纤维素单独改性处理或与蒙脱土溶液插层复合，和CB并用作为天然橡胶(NR)的补强填料，研究其对橡胶复合材料结构.性能的影响，对CB的有效替代提供理论和实践的指导。具体结论如下:
1、采用密度泛函理论方法(DFT)对木质纤维素与钛酸酯偶联剂(ND2-102)、液体橡胶(LBR-307)、蒙脱土、粘合剂以及丙三醇之间的微观作用机理进行模拟计算。模拟发现:ND2-102结构单元、粘合树脂结构单元、丙三醇结构单元都能与纤维素结构单元发生较强的氢键作用，并发生电子转移;LBR-307结构单元与纤维素结构单元表面之间未发生氢键作用，只是发生静电引力作用和电子转移;木质纤维素两种不同的结构单元与蒙脱土表面吸附较强，为溶液插层提供了保障，利于木质纤维素对蒙脱土的插层。密度泛函理论计算方法可以从原子层面进一步对宏观试验结果进行证明。
2、以ND2-102为预处理木质纤维素的界面改性剂，通过湿法工艺对木质纤维素进行改性，并用作补强填料部分替代CB，制备了天然橡胶(NR)复合材料。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、接触角、X-射线光电子能谱(XPS)、橡胶加工分析（RPA）、热重分析(TG)测试，考察了ND2-102用量对木质纤维素的结构及NR复合材料性能的影响。结果表明:ND2-102的烷氧基与木质纤维素表面羟基发生了化学接枝反应，形成R-Ti-O-的结构，使木质纤维素表现出较好的疏水性，进一步提高木质纤维素在橡胶基体中的分散能力，与橡胶基体的结合更加紧密。通过研究发现，木质纤维素经过改性后，与橡胶的相互作用增强，橡胶的填料网络结构受到消弱。当ND2-102用量为10％时，橡胶复合材料的综合力学性能突出，橡胶的表观交联密度增加。
3、以LBR-307作为相容剂引入到木质纤维素/CB/NR复合材料的体系中。XPS测试结果表明，木质纤维素的碳元素结构和相对含量发生明显变化，C-C和C-H相对含量大幅增加，表明LBR-307只是对木质纤维素进行物理包覆。硫化和力学性能分析发现，添加LBR-307后，橡胶复合材料的T10、T90逐渐增大，橡胶加工安全性提高;当添加8phr LBR-307，橡胶复合材料的综合力学性能突出，拉伸强度、断裂伸长率较未添加LBR-307分别提高了22.3％和L9.2％。SEM照片和RPA分析发现，LBR-307加入进一步改善了木质纤维素在橡胶基体中分散性，提高了木质纤维素和CB的协同补强作用，橡胶复合材料的填料网络结构化程度显著减轻，Payne效应减弱，改善了橡胶的加工性能。
4、采用溶液插层法制备了木质纤维素/蒙脱土补强剂(LMR)，研究了CB与LMR并用配比对NR复合材料硫化性能、力学性能、加工性能等的影响。XRD和TEM结果显示:木质纤维素分子插层到蒙脱土的片层结构中，达到扩层及剥离效果，成功制备了新型的橡胶补强剂LMR。LMR与CB复配具有很好的补强协同作用，可以提高NR复合材料的力学性能，当CB与LMR配比为40∶10时，补强NR的效果更佳;并能改善橡胶复合材料的加工性能。SEM显示:当LMR添加量不超过10phr时，其在橡胶基体中能够均匀分散。
5、以间-甲-钴为粘合剂，研究了粘合剂对LMR/CB/NR复合材料结构.性能的影响。结果显示:添加粘合剂后，橡胶复合材料的密度增大，耐磨性提高。当LMR替代CB量在10-20phr逐渐增大时，橡胶复合材料的力学性能并没有明显降低，LMR替代CB量可以增加到20phr;橡胶复合材料的硫化性能变化明显，T10、T90较未添加粘合剂的增加了60.5％和114.0％。SEM表明，粘合剂能明显改善LMR与NR之间的相互作用，提高其分散效果。
6、将丙三醇作为增塑剂引入到LMR/CB/NR体系中，考察丙三醇添加量对橡胶复合材料结构与性能的影响。结果表明:添加15％的丙三醇时，橡胶复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、邵氏A硬度、撕裂强度分别提高了23.5％、3.2％、4.8％和13.9％，综合力学性能显著改善。同时，丙三醇的加入能够进一步消弱填料网络结构，降低Payne效应，对橡胶复合材料的热稳定性影响不大。
1、采用密度泛函理论方法(DFT)对木质纤维素与钛酸酯偶联剂(ND2-102)、液体橡胶(LBR-307)、蒙脱土、粘合剂以及丙三醇之间的微观作用机理进行模拟计算。模拟发现:ND2-102结构单元、粘合树脂结构单元、丙三醇结构单元都能与纤维素结构单元发生较强的氢键作用，并发生电子转移;LBR-307结构单元与纤维素结构单元表面之间未发生氢键作用，只是发生静电引力作用和电子转移;木质纤维素两种不同的结构单元与蒙脱土表面吸附较强，为溶液插层提供了保障，利于木质纤维素对蒙脱土的插层。密度泛函理论计算方法可以从原子层面进一步对宏观试验结果进行证明。
2、以ND2-102为预处理木质纤维素的界面改性剂，通过湿法工艺对木质纤维素进行改性，并用作补强填料部分替代CB，制备了天然橡胶(NR)复合材料。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、接触角、X-射线光电子能谱(XPS)、橡胶加工分析（RPA）、热重分析(TG)测试，考察了ND2-102用量对木质纤维素的结构及NR复合材料性能的影响。结果表明:ND2-102的烷氧基与木质纤维素表面羟基发生了化学接枝反应，形成R-Ti-O-的结构，使木质纤维素表现出较好的疏水性，进一步提高木质纤维素在橡胶基体中的分散能力，与橡胶基体的结合更加紧密。通过研究发现，木质纤维素经过改性后，与橡胶的相互作用增强，橡胶的填料网络结构受到消弱。当ND2-102用量为10％时，橡胶复合材料的综合力学性能突出，橡胶的表观交联密度增加。
3、以LBR-307作为相容剂引入到木质纤维素/CB/NR复合材料的体系中。XPS测试结果表明，木质纤维素的碳元素结构和相对含量发生明显变化，C-C和C-H相对含量大幅增加，表明LBR-307只是对木质纤维素进行物理包覆。硫化和力学性能分析发现，添加LBR-307后，橡胶复合材料的T10、T90逐渐增大，橡胶加工安全性提高;当添加8phr LBR-307，橡胶复合材料的综合力学性能突出，拉伸强度、断裂伸长率较未添加LBR-307分别提高了22.3％和L9.2％。SEM照片和RPA分析发现，LBR-307加入进一步改善了木质纤维素在橡胶基体中分散性，提高了木质纤维素和CB的协同补强作用，橡胶复合材料的填料网络结构化程度显著减轻，Payne效应减弱，改善了橡胶的加工性能。
4、采用溶液插层法制备了木质纤维素/蒙脱土补强剂(LMR)，研究了CB与LMR并用配比对NR复合材料硫化性能、力学性能、加工性能等的影响。XRD和TEM结果显示:木质纤维素分子插层到蒙脱土的片层结构中，达到扩层及剥离效果，成功制备了新型的橡胶补强剂LMR。LMR与CB复配具有很好的补强协同作用，可以提高NR复合材料的力学性能，当CB与LMR配比为40∶10时，补强NR的效果更佳;并能改善橡胶复合材料的加工性能。SEM显示:当LMR添加量不超过10phr时，其在橡胶基体中能够均匀分散。
5、以间-甲-钴为粘合剂，研究了粘合剂对LMR/CB/NR复合材料结构.性能的影响。结果显示:添加粘合剂后，橡胶复合材料的密度增大，耐磨性提高。当LMR替代CB量在10-20phr逐渐增大时，橡胶复合材料的力学性能并没有明显降低，LMR替代CB量可以增加到20phr;橡胶复合材料的硫化性能变化明显，T10、T90较未添加粘合剂的增加了60.5％和114.0％。SEM表明，粘合剂能明显改善LMR与NR之间的相互作用，提高其分散效果。
6、将丙三醇作为增塑剂引入到LMR/CB/NR体系中，考察丙三醇添加量对橡胶复合材料结构与性能的影响。结果表明:添加15％的丙三醇时，橡胶复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、邵氏A硬度、撕裂强度分别提高了23.5％、3.2％、4.8％和13.9％，综合力学性能显著改善。同时，丙三醇的加入能够进一步消弱填料网络结构，降低Payne效应，对橡胶复合材料的热稳定性影响不大。