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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(jié)構和力學性能變化

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       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(huán)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(jié)構發(fā)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(jiān)測了臭氧老化后橡膠微觀結(jié)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(shù)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(huán)的共軛反應而相對穩(wěn)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(xiàn)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(nèi)部微觀結(jié)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(chǎn)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(qū)域。臭氧和碳碳雙鍵反應可以形成臭氧氧化產(chǎn)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(xiàn)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(jié)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(shù)量是導致其力學性能劣化的主要因素,后續(xù)可以進一步討論表面裂紋數(shù)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(jié)構的演化規(guī)律,輔助分析微觀開裂機制及其成因,微孔洞的生長與發(fā)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(fā)表在《Polymer Degradation and Stability》。

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