SIBR及相關(guān)彈性體在臭氧老化過程中的開裂、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化

       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(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。在實(shí)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(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使其性能劣化，嚴(yán)重影響輪胎使用壽命。為了研究SIBR在臭氧老化后的力學(xué)性能變化，青島科技大學(xué)橡膠塑料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Xiaolei Wang等人利用顯微鏡-紅外技術(shù)監(jiān)測了臭氧老化后橡膠微觀結(jié)構(gòu)的變化，并采用萬能試驗(yàn)機(jī)研究了SIBR、SSBR和NdIR在臭氧老化前后的力學(xué)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(yīng)而相對穩(wěn)定，因此SSBR的耐臭氧老化性能相對較強(qiáng)。對于Nd-IR，由于亞甲基對聚異戊二烯單元具有給電子效應(yīng)，Nd-IR中的聚異戊二烯單元雙鍵在化學(xué)反應(yīng)中更活躍，容易與臭氧反應(yīng)，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(kuò)展速度較慢，而在Nd-IR和SSBR中，裂紋的擴(kuò)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。

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

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(shù)研究SIBR臭氧裂紋內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，并與Nd-IR和SSBR進(jìn)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(tuán)，并且裂紋處的碳氧鍵吸收峰強(qiáng)度高于表面沒有裂紋的區(qū)域。臭氧和碳碳雙鍵反應(yīng)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(tuán)。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(yīng)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(qiáng)。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(yīng)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。

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

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

相關(guān)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》。