橡胶基纳米复合材料因独特的高弹性而广泛应用于交通运输、航空航天、海洋装备、建筑行业、电子电器等领域,然而橡胶与纳米补强填料的混炼是极其复杂的物理化学变化过程。橡胶加工业目前所采用分阶段、分工序及分批次的间歇式混炼工艺,存在混炼周期长、劳动强度大、环境污染大、单位能耗大、批料均度差等问题。以剪切形变流场为主导的传统橡胶混炼过程为了获得纳米填料均匀分散分布的胶料,不得不延长混炼时间和增加混炼工序,从而导致加工效率低、能耗高、橡胶分子链断链严重,过多降低橡胶分子量会损害橡胶制品的物理机械性能;随着能源问题的日益突出和高性能橡胶制品的迫切需求,研发高效率、低能耗、连续性的橡胶混炼新技术和装备迫在眉睫。本文首次提出了以体积拉伸形变流场为主导的橡胶混炼加工方法,成功开发了体积拉伸形变双轴偏心转子（BERE）一步法橡胶连续混炼挤出新技术,并成功制备了橡胶基纳米复合材料;通过模拟分析和大量的实验研究了体积拉伸形变流场中纳米粒子在橡胶基体中的分散分布行为及纳米粒子与橡胶分子链间的相互作用,并揭示了纳米粒子分散分布形态与硫化胶复合材料性能之间的关系。利用Polyflow模拟分析了双轴偏心转子型腔内螺旋段和偏心直线段中胶料的速度场和压力场分布以及混合指数和第一主应力分布概率,发现速度沿胶料流动方向呈先发散再收敛的拉伸流动,胶料从双轴偏心转子下方靠近啮合处的速度最快、受到挤压作用最强;平直段产生的混合指数、拉伸形变作用指数和挤压作用均高于螺旋段,第一主应力随BERE转速、胶料模量和零切粘度的增加而增强;并阐述了纳米粒子在体积拉伸形变流场中的分散机理。利用剪切形变流场支配的密炼机间歇式混炼工艺和体积拉伸形变流场主导的BERE一步法橡胶连续混炼挤出新技术分别制备了天然橡胶/炭黑（NR/CB）复合材料。与密炼机间歇工艺相比,由于BERE的强拉伸、弱剪切作用,BERE一步法连续混炼挤出混炼胶的Payne效应较小,CB在极短混炼时间（1.5 min）内就能实现良好的分散分布形态,NR分子链更长,分子量提高23.0%,M_w/M_n更小,结合胶含量更多,NR与CB间的相互作用更大;其硫化胶的综合力学性能可媲美甚至超过密炼机最佳工艺条件（80 r/min混炼8 min）制备的硫化胶,与密炼机相同转速和混炼时间制备的硫化胶相比,BERE一步法制备硫化胶的拉伸强度、扯断伸长率、500%定伸应力和撕裂强度显著提升,显著突出了体积拉伸形变流场主导的BERE一步法橡胶连续混炼挤出新技术的优势。研究了一步法连续混炼挤出工艺中BERE不同转速、不同温度、不同硫磺加料位置以及不同CB含量对NR/CB体系性能的影响,发现提高BERE转速增强第一主应力,可改善CB在NR基体中分散分布形态,硫化胶的拉伸强度、扯断伸长率和撕裂强度均随BERE转速的提高先增大再减小,50 r/min时最大;降低BERE第四区温度和提高转速,可增强BERE产生的体积拉伸形变作用于团聚的CB使之破碎和扩散,从而显著改善CB在NR基体中的分散分布形态;BERE转速为50 r/min、温度为90-80-50-60℃时制备的NR/30phr CB混炼胶中NR的分子量较大,NR与CB间的相互作用较强。BERE转速为50 r/min、温度为90-80-50-30和90-80-50-60℃时制备的硫化胶都具有较优异的静态综合力学性能,其中温度为90-80-50-60℃时制备硫化胶的抗湿滑性能更高;第一和第二加料口加硫磺（S）对混炼胶的加工性能、CB的分散分布形态和力学性能影响不大,焦烧时间T_c10没有缩短,仍有足够的焦烧安全期;NR/CB硫化胶的抗湿滑性能随CB含量增加而提高的同时动态生热也增大,NR/40phr CB硫化胶的综合力学性能最优。研究了不同Si69改性方法、SiO₂含量和BERE加工工艺对天然橡胶/白炭黑（NR/SiO₂）体系性能的影响,提高BERE转速和降低加工温度有利于增强体积拉伸形变作用于SiO₂团聚体使之破碎和分散,增加Si69含量有益于改善SiO₂与NR的相互作用,从而显著改善了SiO₂的分散分布形态;混炼胶的Payne效应随Si69和SiO₂含量的增加而降低和增大,随BERE转速的提高而降低,门尼黏度随SiO₂含量的增加和BERE转速的提高而增大和降低;硫化胶的动态生热随Si69和SiO₂含量的增加而降低和增大,拉伸强度和扯断伸长率均随BERE转速的提高而增大,拉伸强度随Si69含量的增加先增大再缓慢降低,于10wt%Si69时达到最佳,而撕裂强度随Si69含量的增加而增大;BERE转速为50 r/min、温度为90-80-50-30℃时制备10 wt%Si69改性的NR/30phr SiO₂硫化胶综合力学性能最优。研究了不同CB含量和BERE工艺对溶聚丁苯胶/炭黑（S-SBR/CB）体系性能的影响,CB在其硫化胶中都有良好的分散分布形态,CB聚集体的粒径尺寸及其标准差都随CB含量的增加而减小,CB聚集体面积占比都呈现正态分布并且最可几分布随CB含量的增加向小聚集体移动;BERE转速为50 r/min、温度为90-80-50-30℃时在第一加料口加S制备硫化胶的CB分散分布形态最佳;拉伸强度和定伸应力都随CB含量的增加而增大,扯断伸长率、300%/100%和撕裂强度都随CB含量的增加先增大再减小,300%/100%和撕裂强度于40phr CB时最大。研究了不同SiO₂和Si69含量对溶聚丁苯胶/白炭黑（S-SBR/SiO₂）体系性能的影响,S-SBR/SiO₂混炼胶的ΔG′随SiO₂和Si69含量的增加而增大和减小,门尼黏度随SiO₂含量的增加而增大;Si69含量为10wt%时SiO₂可实现均匀的分散分布形态,S-SBR/SiO₂硫化胶的拉伸强度、扯断伸长率和定伸应力都随SiO₂含量的增加而增大,硫化胶的拉伸强度、定伸应力和300%/100%均随Si69含量的增加而增大,10wt%Si69改性SiO₂制备S-SBR/30phr SiO₂硫化胶的撕裂强度最大。基于Polyflow模拟分析和大量的实验结果,表明体积拉伸形变流场为主导的BERE一步法橡胶连续混炼挤出新技术制备橡胶基纳米复合材料相对于剪切流场为主导的间歇式混炼工艺具有显著的优势,解决了传统橡胶间歇式混炼工艺难以克服的问题,制得了纳米粒子均匀分散分布、橡胶分子链长度得以保持和机械力学性能优异的橡胶基纳米复合材料。本论文的研究成果为橡胶加工领域提供了一种全新的、高效的、连续的一步法混炼挤出一体化解决方案,为这项新技术的应用和推广提供了重要的理论支撑和实验依据。