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北化盧詠來教授、北工商張茜博士 Polymer: 環氧化天然橡膠在不同硫化體系下應變誘導結晶的最新研究成果
2023-04-17  來源:高分子科技

  天然橡膠(NR)獨特的應變誘導結晶性能,賦予了它高的拉伸、撕裂強度,以及優異的抵抗裂紋增長性,使其成為發展高性能橡膠制品的首選橡膠原材料。但 NR 也存在諸如與極性材料親和性差、抗濕滑性差,以及低耐油性、低氣密性等缺點。通過對天然橡膠主鏈上的雙鍵進行環氧化改性即可得到環氧化天然橡膠(ENR),其能從分子結構上改變天然橡膠,對于提高天然橡膠材料性能與應用價值方面具有重要意義。并且 ENR 驚喜的保留了應變誘導結晶特性,使其同樣具有優異的力學性能。目前關于NR應變誘導結晶的相關研究已有很多,北京化工大學盧詠來教授和北京工商大學張茜博士團隊長期從事橡膠應變誘導結晶(Strain-induced crystallization,SIC)的研究,采用WAXD技術和毛細管膨脹計研究了NR/IR共混體系的應變誘導結晶過程和結構變化規律(Plastics Rubber & Composites, 2017, 46(7):290-300;采用峰值力定量納米力學AFM技術可視化、定量化地觀測了異戊橡膠(又稱合成天然橡膠,IR)在單軸拉伸過程中各相態結構的演變并分析了其自增強機理(Macromolecules, 2020, 53(8), 3082-3089;采用同步輻射WAXD及偏振紅外技術對應變作用下不同丙烯腈含量的氫化丁腈橡膠的分子鏈取向及結晶行為進行了對比研究。但目前ENR應變誘導結晶的相關研究寥寥無幾,前期該團隊采用WAXD結合偏振紅外技術探究了環氧化程度對硫磺交聯體系下ENR應變誘導結晶的影響規律(Macromolecular Rapid Communications, 2019, 40(14), 1900042);而ENR中的環氧鍵賦予了其極性和反應性,使其能夠通過二酸、二胺等新型交聯體系交聯,但目前其他交聯體系下ENR的性能與硫磺體系仍存在較大差距,限制了其在高性能領域的進一步應用,這可能與交聯體系對應變誘導結晶的影響有關。


  為了解決以上問題,北京化工大學盧詠來教授和北京工商大學張茜博士團隊采用WAXD結合偏振紅外技術探究了不同硫化體系對ENR應變誘導結晶和分子鏈取向的影響規律;進一步采用峰值力定量納米力學AFM技術觀測了硫磺(S)、過氧化二異丙苯(DCP)和衣康酸(IA)硫化體系下ENR在單軸拉伸過程中微觀結構的演變。

 

不同硫化體系的ENR硫化膠在不同應變條件時的2D-WAXD


  研究結果顯示,與NR-S相比,ENR-10-S不僅結晶起始應變更低,而且結晶度更高。對于DCPIA硫化的ENR-10而言,并且表現出了相似的結晶進程。與硫磺體系相比,二者的結晶起始應變明顯增加,都需要接近4的應變才可以發生結晶。 


不同硫化體系下ENR硫化膠拉伸過程中應變和結晶度與取向度的關系


  在較低應變下(ε1),由于DCPIA體系中包含剛性的C–C和酯交聯網絡,ENR-10-DCPENR-10-IA具有更高的分子鏈取向,這導致其定伸大于ENR-10-S。隨著應變繼續,ENR-10-DCPENR-10-IA的分子鏈取向變緩,而ENR-10-S的取向度幾乎呈線性增加。同時,由于交聯網絡的不均勻分布,在拉伸過程中,SIC首先出現在ENR-10-S中。因此,在高應變下,ENR-10-S的力學性能顯著高于ENR-10-DCPENR-10-IA。此外,與NR-S相比,環氧基團的引入可以促進分子鏈的取向和SIC,因此ENR-10-S表現出比NR-S更好的機械強度。 


aENR-10-S,(bENR-10-DCP和(cENR-10-IA在拉伸過程中微觀結構演變的示意圖


  以上相關成果發表在Polymer期刊上(Polymer 2023, 274, 125911.)。論文第一作者為北京化工大學博士后宋維曉,通訊作者為北京化工大學盧詠來教授和北京工商大學張茜博士。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.125911

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(責任編輯:xu)
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