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

       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。

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。

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》。