天然橡胶存在阻尼滞后现象,使其在循环使用过程中产生热量,加速老化,最终导致橡胶材料的破坏。天然橡胶网络结构是决定其生热性能的关键因素。影响天然橡胶网络结构的主要因素是天然橡胶中的非橡胶组分和硫化体系。本文通过核磁共振交联密度仪和管道模型理论分析对天然橡胶的网络结构进行表征,并结合统计热力学计算和Flory-Hunggins似晶格理论(平均场)研究高速应变下天然橡胶网络结构与生热的关系,探索其生热机理。非橡胶组分对天然橡胶硫化网络形成有重要影响。特别是蛋白质的存在,促进天然橡胶的硫化过程。为分析蛋白质对天然橡胶生热性能的影响,向天然胶乳中加入碱性蛋白酶进行水解,再经高速离心制备不同蛋白质含量的天然橡胶样品。由于离心处理会伴随其他非胶组分的流失,通过向离心二次生胶中加入大豆蛋白验证蛋白质对其生热性能的影响。结果表明,离心三次天然橡胶蛋白质含量由2.01 wt%降为0.44 wt%。外部温升(代表应力作用下橡胶材料与外界接触面的生热程度)由9.6 ℃升至57 ℃,内部温升(代表橡胶材料内部分子链蜷-舒展过程中的生热程度)由20.7 ℃升至60.4℃。验证实验中,外加2.5 phr大豆蛋白天然橡胶生热最低,其外部温升为19.6 ℃,与空白组相比降低了9.4 ℃;内部温升为27 ℃,相比降低了12.7 ℃。此外,天然胶乳不同的凝固工艺导致天然橡胶的非橡胶组分含量差异。本文分别采用自然凝固、微生物凝固、甲酸凝固对天然胶乳进行凝固制备天然橡胶,研究凝固工艺对其生热性能的影响。结果表明,自然凝固及微生物凝固天然橡胶外部温升分别为8.5 ℃和8.9 ℃,内部温升分别为17.6 ℃,16.7 ℃,均低于甲酸凝固的13.8 ℃和26.6 ℃。硫化体系对天然橡胶硫化网络的构建有重要影响。本文分别采用普通硫化体系、半有效硫化体系以及有效硫化体系制备天然橡胶。分析硫化体系对其生热性能的影响。结果表明,半有效硫化体系天然橡胶生热最低,其外部温升为7.5 ℃,内部温升为18.7℃。普通硫化体系次之,其外部温升为10.6 ℃,内部温升为21.2 ℃。有效硫化体系最差,其外部温升为12.6 ℃,内部温升为24.2 ℃。结合Flory-Hunggins似晶格(平均场)理论,通过统计热力学计算了高速应变下天然橡胶的结构熵变与硫化网络(非仿射网络)的变形之间的关系。经过合理的数理计算推演,阐述了天然橡胶硫化网络结构影响其生热性能的作用机理。结果表明,天然橡胶网络中的交联点和缠结拓扑相对分子链有“钉扎”作用,阻碍分子链的相互运动,降低链间摩擦生热。通过对凝固工艺和硫化体系的优化及筛选,我们采用自然凝固加半有效硫化体系的制备路线制备低生热天然橡胶。通过与全乳胶及工厂所制备的低生热橡胶进行对比分析,综合评价本课题制备的低生热天然橡胶的生热性能。结果表明,自然凝固加半有效硫化体系制备的天然橡胶生热最低,其外部温升较两者分别降低了4.2 ℃和1.3℃,内部温升降低了8.0 ℃和1.4 ℃。我们推断出天然橡胶中的非橡胶组分和硫化体系对其网络结构的构建有重要影响。天然橡胶中交联和缠结网络越致密,分子链刚性越强,生热越低。尽管分子链相互运动过程中缠结点处也会产生热量,但是“点状”处的摩擦生热量相对于其“钉扎”整个橡胶链抑制的“线状”生热量是微小的。