近年来,随着国家节能减排战略的提出和汽车工业向高速、安全、节能、舒适化方向的发展,对轮胎高性能化的要求也逐年提高,这就要求轮胎胎面具有良好的抗湿滑性能,优异的耐磨性、低的滚动阻力特性。轮胎胎面要获得如此全面的特性,必须在橡胶的分子结构及增强结构上有新的突破。众所周知,橡胶分子间的内摩擦损耗和松弛特性是制约其低滚阻和高抗湿滑性能的主要因素,因此节能橡胶的分子结构设计及实施是研究的热点课题之一,其次橡胶的增强结构高性能化也是轮胎工业者致力解决的难题。在轮胎工业中,常用炭黑填充胎面胶材料以获得较好的综合性能。但是,炭黑填料是由石油不完全燃烧或受热分解所得,因而使得开发低生热并且减少石油资源依赖性的新型材料成为当前的迫切任务,这对缓解石油资源短缺、改善大气环境、实现国民经济的可持续发展具有重大意义。无机填料白炭黑以其高补强、低生热的优点而逐渐受到橡胶工业研究者的青睐,但是也具有易团聚、与基体结合差等缺点。因此通过分子结构设计和纳米填料增强的角度来提高白炭黑分散性及其与基体的界面相互作用力并实现节能降耗目标是本论文致力研究的方向。本文首次中试生产了星形溶聚丁苯橡胶,系统研究了其结构与性能,并附之应用;系统研究了SiO₂表面有机化工艺及其效果,制备了星形SSBR/SiO₂共凝聚胶,并研究了白炭黑粉体及白炭黑/炭黑填充共凝聚胶的力学性能、动态性能和微观结构;设计并聚合成功了分子链末端官能化的SSBR,研究了其端基与白炭黑粉体的缩合机理以及制备的复合材料的各项性能;经过一系列探索,成功制备了白炭黑粒子表面接枝弹性体的复合粒子。论文的第一部分,在实验室规模研究基础上,开发了星形溶聚丁苯橡胶在5L、10L、200L釜逐级放大的聚合工艺,解决了苯乙烯含量偏高、破杂工艺不完善、无规度偏低、聚合温度不稳定等问题,试制的12釜星形溶聚丁苯橡胶经结构与性能检测,达到高强节能轮胎胎面的用胶要求。用中试胶料制备高性能轿车轮胎,其高速、安全、节油、降耗性能明显优于工厂目前生产的同规格轮胎。根据本章的结论确立了从小试到中试阴离子聚合星形溶聚丁苯橡胶的聚合工艺条件,对本论文后几章研究以及其他轮胎工业研究者具有指导意义。论文的第二部分,制备了星形SSBR/SiO₂共凝聚胶,首先针对硅烷偶联剂有机化改性白炭黑的条件进行了系统研究,确定了硅烷偶联剂的用量,并创新性地采用反应红外光谱跟踪了不同温度下硅烷偶联剂涂覆白炭黑粉体的特征峰面积变化,通过对有机化SiO₂粉体的萃取检测,确定了偶联剂与SiO₂表面羟基的缩合工艺条件。在该工艺条件下制得的有机化改性白炭黑填充胶料的物理机械性能、动态力学性能、微观填料分散优于未改性SiO₂粉体填充胶料,也优于其他温度下改性SiO₂粉体填充胶料。之后,首次采用共凝聚技术制备了SSBR/SiO₂共凝聚胶。该共凝聚胶内部白炭黑呈现良好分散,由此制备的白炭黑填充胶料的填料混入速度、填料分散性、界面相互作用、综合性能均优于同填料份数的共混法制备胶料。从玻璃化转变特性的变化结果也可看出界面结合对限制分子链运动的作用。最后,研究了分别以常规星形溶聚丁苯橡胶和星形溶聚丁苯共凝聚胶为基体填充不同配比白炭黑/炭黑掺杂填料制备的复合胶料的各项性能。总体说来,掺杂填料起协同增强的作用,白炭黑/炭黑并用比为20/30时,胶料的结合胶含量较高,物理机械性能、磨耗性能也可达到较佳水平;以共凝聚胶为基体时制备的复合胶料表现为高强度、低滚阻、低生热、低变形、耐屈挠、优分散等特点,其强的填料与基体间的界面作用为制备高性能绿色轮胎用胎面胶料提供了广阔的应用前景。论文的第三部分,从分子结构设计角度出发,创新性的在聚合反应末期加入可反应性硅烷偶联剂,制备出分子链末端官能化的溶聚丁苯橡胶,通过核磁、红外、EDS三种方法分别证明了端基官能化反应结果,并根据核磁谱图中相关特征峰峰面积计算了其端基官能化率。该胶料经过与白炭黑充分缩合后,填料-聚合物作用大大增强,填料分散性也有所提高,分子链自由末端明显减少,因此其白炭黑填充胶料表现为结合胶含量多,横向驰豫时间短,内摩擦损耗值及生热低,力学性能和动态性能优异,黏度和加工能耗低,以及高抗湿滑和低滚动阻力等特性。此外,采用不同的硅烷偶联剂进行端基官能化,拓宽该领域的研究范围。结果表明,末端带硅氧烷基团的官能化溶聚丁苯橡胶与白炭黑具有较好的反应性,再经过与白炭黑反应共混后制得的复合材料具有优异的各项性能。同时,较高的端基官能化效率也有利于综合性能的提高。论文的第四部分,创新性的将近年来兴起的核壳粒子制备理论引入到橡胶工业中。首先采用硅烷偶联剂KH570在SiO₂粒子表面有机化改性,使其表面富含可参与聚合的C=C,共聚单体使用苯乙烯、异戊二烯,通过自由基乳液聚合的方法聚合,并分别使用¹H NMR、¹³CNMR、红外光谱、透射电镜、能谱等方法表征了聚合产物。结果表明,低温聚合会大大减少其聚合物生成量,但可以通过使用氧化-还原引发体系来解决;改性SiO₂粒子表面双键与异戊二烯的竞聚率相差较大,难以在共聚物中实现较高的有机物组分;加入少量竞聚率适中的苯乙烯参与三元共聚并延长聚合反应时间可以有效地提高有机聚合物含量,制备出理想的SiO₂/PS/IR复合粒子,该复合粒子中几乎无SiO₂粒子团聚现象,粒径普遍在30nm以内,为开发SiO₂纳米颗粒在橡胶中的单分散技术奠定了基础。