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              技術文章

              SIBR及相關彈性體在臭氧老化過程中的開裂、微觀結構和力學性能變化

              技術文章

                     苯乙烯-異戊二烯-丁二烯橡膠(SIBR)是一種具有低滯后和高路面附著力特性的新型輪胎胎面橡膠,被廣泛應用于汽車制造領域。在實際的大氣環境服役過程中,臭氧容易與SIBR分子鏈中大量的不飽和雙鍵結構發生化學反應使其性能劣化,嚴重影響輪胎使用壽命。為了研究SIBR在臭氧老化后的力學性能變化,青島科技大學橡膠塑料重點實驗室的Xiaolei Wang等人利用顯微鏡-紅外技術監測了臭氧老化后橡膠微觀結構的變化,并采用萬能試驗機研究了SIBR、SSBR和NdIR在臭氧老化前后的力學性能差異性。 

                     在臭氧老化過程中,SIBR、SSBR和Nd-IR的表面形貌如圖所示1。Nd-IR初始階段的裂紋長度相對較長,SSBR的初始裂紋長度較短,而SIBR的初始裂紋長度在Nd-IR和SSBR的長度之間,但裂紋數量最少。在SSBR中,聚丁二烯單元中的雙鍵容易參與臭氧老化,聚苯乙烯單元由于苯環的共軛反應而相對穩定,因此SSBR的耐臭氧老化性能相對較強。對于Nd-IR,由于亞甲基對聚異戊二烯單元具有給電子效應,Nd-IR中的聚異戊二烯單元雙鍵在化學反應中更活躍,容易與臭氧反應,Nd-IR的裂紋比SIBR的裂紋密集得多。橡膠老化過程中裂紋長度隨老化時間的演化如圖2所示。在SIBR中出現裂紋后,裂紋的擴展速度較慢,而在Nd-IR和SSBR中,裂紋的擴展速度較快。由此可見,SIBR具有較好的耐臭氧老化和抗開裂性能。

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              圖1橡膠臭氧老化過程中表面形貌。(a)SIBR,(b)SSBR,(c)Nd-IR

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              圖2橡膠老化過程中裂紋長度隨老化時間的演變

                     使用顯微鏡-紅外光譜技術研究SIBR臭氧裂紋內部微觀結構的變化,并與Nd-IR和SSBR進行比較,如圖3所示。在臭氧老化過程中,SIBR、SSBR和Nd-IR都會產生碳氧基團,并且裂紋處的碳氧鍵吸收峰強度高于表面沒有裂紋的區域。臭氧和碳碳雙鍵反應可以形成臭氧氧化產物,在臭氧老化過程中形成碳-氧鍵基團。同時,在臭氧老化過程中,橡膠表面出現裂紋,裂紋面與臭氧接觸的面積較大,裂紋處雙鍵之間的臭氧老化反應程度更加劇烈。SIBR中形成的碳氧鍵的吸收峰比SSBR和Nd-IR的吸收峰更強。在SIBR的裂紋處存在大量的碳氧鍵,表明SIBR主要參與的臭氧老化反應集中在裂紋處,因此SIBR的裂紋增長速度較慢,但裂紋深度更深。

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              圖3三種橡膠的臭氧裂解紅外光譜。(a)SIBR,(b)SSBR,(c)Nd-IR

                     SIBR、SSBR和Nd-IR在臭氧老化72小時前后的力學性能如圖所示4。臭氧老化后,SIBR、SSBR和Nd-IR的拉伸強度都顯著降低。在臭氧老化過程中,臭氧與雙鍵反應形成表面臭氧膜,使橡膠表面層材料性能下降。在20%的變形條件下,臭氧膜破裂形成裂紋并縱向擴張,從而降低了橡膠的力學性能。由于表面裂紋的存在,模量和斷裂伸長率都顯著降低。


                     該工作從微觀結構角度分析了橡膠的臭氧老化機理并分析其力學性能的變化。在實際服役過程中,橡膠材料表面的裂紋數量是導致其力學性能劣化的主要因素,后續可以進一步討論表面裂紋數量對力學性能劣化的影響機理。此外,可借鑒該工作中使用的顯微鏡-紅外光譜技術,研究VHB丙烯酸彈性體在熱老化過程中微觀結構的演化規律,輔助分析微觀開裂機制及其成因,微孔洞的生長與發展及其與宏觀力學性能(如塊體模量,表面模量,拉伸強度,斷裂伸長率,斷裂韌性)演化的關系,以揭示VHB宏觀力學性能演化的深層機理。


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              圖4硫化橡膠在臭氧老化前后的力學性能。(a)拉伸強度,(b)模量,(c)斷裂伸長率

              相關論文以“Cracking, structural, and mechanical property changes of SIBR and related elastomers during the ozone aging process"為題發表在《Polymer Degradation and Stability》。

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