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華工/北化張立群院士、郭寶春教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：基于彈性骨骼網(wǎng)絡(luò)制備新一代熱塑性硫化橡膠
2023-04-04  來(lái)源：高分子科技

  橡膠的共價(jià)交聯(lián)，是這類承載著現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)運(yùn)行與發(fā)展的重要材料，邁向?qū)嶋H應(yīng)用的前提。而傳統(tǒng)橡膠的交聯(lián)化學(xué)（多為硫磺硫化）多以犧牲制品的可回收加工能力為代價(jià)。在這方面，傳統(tǒng)熱塑性硫化橡膠（TPV）雖具有良好的連續(xù)回收加工能力，其回彈性和尺寸穩(wěn)定性卻遠(yuǎn)不如與硫化橡膠，因而限制其使用范圍？梢(jiàn)，開(kāi)發(fā)兼具高回彈、尺寸穩(wěn)定、可連續(xù)回收加工的新一代熱塑性硫化橡膠具有重要意義。近年來(lái)廣泛報(bào)道的動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)化學(xué)為交聯(lián)橡膠材料的高值回收提供了全新的思路。但受限于生膠高分子量和網(wǎng)絡(luò)充分交聯(lián)及增強(qiáng)的需求，動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)橡膠這類高粘體系的擠出回收，仍是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。華南理工大學(xué)/北京化工大學(xué)張立群院士和郭寶春教授研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中，通過(guò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)相態(tài)調(diào)控（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 20503; Macromolecules, 2022, 55, 3236），大幅提升動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高溫松弛速率，雖成功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵交聯(lián)橡膠材料的高效增強(qiáng)和擠出回收，但如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硫化橡膠穩(wěn)定的擠出回收，仍舊任重道遠(yuǎn)。有趣的是，許多研究表明，傳統(tǒng)的橡膠硫化體系所構(gòu)筑的硫磺交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中富含動(dòng)態(tài)多硫/二硫交聯(lián)鍵，其比例甚至高達(dá)~90 %。可見(jiàn)，基于硫化橡膠中豐富的動(dòng)態(tài)硫鍵，有望直接其賦予其回收加工能力，同時(shí)搭配合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終獲得兼具高回彈、尺寸穩(wěn)定、可連續(xù)回收加工的新一代熱塑性硫化橡膠。


  從橡膠網(wǎng)絡(luò)的多層次交聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，華南理工大學(xué)/北京化工大學(xué)的張立群院士和郭寶春教授研究團(tuán)隊(duì)基于半固態(tài)加工原理，提出了一種新型熱塑性硫化橡膠的設(shè)計(jì)理念。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)富含動(dòng)態(tài)硫鍵的橡膠顆粒與生膠基體間的交聯(lián)反應(yīng)，在顆粒表面及顆粒間構(gòu)筑可塑粘連界面層。當(dāng)基體網(wǎng)絡(luò)中的顆粒含量逾滲，最終形成以橡膠顆粒為基元的彈性骨骼網(wǎng)絡(luò)（SN）。在回收加工的熱機(jī)械力作用下時(shí)，組成SN的可塑界面層發(fā)生流動(dòng)，而橡膠顆粒則仍維持固態(tài)，界面處高濃度動(dòng)態(tài)硫鍵可通過(guò)快速的鍵間交換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)顆粒的反復(fù)“破裂-修復(fù)”，最終重塑整體網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，賦予整體材料穩(wěn)定的擠出回收能力。該論文以題為“Skeletal Network Enabling New-Generation Thermoplastic Vulcanizates”發(fā)表在Advanced Materials上，華南理工大學(xué)博士研究生余雙艦為文章第一作者，華南理工大學(xué)/北京化工大學(xué)張立群院士、郭寶春教授、吳思武副教授為共同通訊作者。 



SN彈性體的制備及微觀相態(tài)演變


  作者以商品化橡膠及硫化助劑為原料制備富含動(dòng)態(tài)硫鍵的橡膠顆粒，將其與橡膠生膠進(jìn)一步共混復(fù)合，通過(guò)催化激活顆粒表面的動(dòng)態(tài)硫鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)生膠基體的界面交聯(lián)，由此制備了具有獨(dú)特兩相結(jié)構(gòu)的SN彈性體（圖1（a）），其過(guò)程無(wú)需復(fù)雜的基體化學(xué)改性，也無(wú)需使用復(fù)雜特殊的加工設(shè)備。隨著橡膠顆粒含量在生膠基體中的增加，分散的顆粒間距逐漸減小、相互搭接并發(fā)展成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，最終形成以橡膠顆粒為基元的彈性SN（圖1（b-c））。值得注意的是，生膠基體除了作為界面層參與SN的構(gòu)筑，其余的則被緊密“圍困-束縛”于SN的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。 


圖1. SN彈性體的制備以及顆粒逾滲形成SN的示意圖和微觀相態(tài)演變


SN彈性體的擠出回收能力


  作者采用高溫?cái)D出加工評(píng)估了SN彈性體的擠出回收能力。將使用后的樣品碎片直接投入擠出機(jī)中，經(jīng)高溫螺桿剪切后可從口模中擠出回收樣條（圖2（a）），其表面光滑，截面致密無(wú)缺陷（圖2（b））。雖然擠出回收后的樣品的拉伸強(qiáng)度略有下降（恢復(fù)率~85%），但其斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸模量（100%定伸應(yīng)力）的恢復(fù)率均接近100%（圖2（c））。對(duì)同一樣品的擠出加工可重復(fù)多次，展現(xiàn)出穩(wěn)定的擠出回收能力。作者認(rèn)為，在擠出過(guò)程中，SN在流場(chǎng)作用下發(fā)生宏觀變形，網(wǎng)絡(luò)界面處開(kāi)始發(fā)生破裂并形成由橡膠顆粒團(tuán)聚體組成的碎片。與此同時(shí)，SN破裂所釋放的“游離”基體橡膠可作為潤(rùn)滑劑參與到新網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)中。結(jié)合流場(chǎng)的作用，這種破裂碎片間通過(guò)動(dòng)態(tài)硫鍵的快速交換-重組而愈合，促使SN整體不斷重復(fù)“愈合-破裂-愈合”轉(zhuǎn)化過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了整體網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)和宏觀“流動(dòng)”。需要強(qiáng)調(diào)的是，上述“流動(dòng)”過(guò)程依賴于動(dòng)態(tài)硫鍵在界面處的交換，并不需要橡膠顆粒網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部硫鍵的交換-重組，類似于Baroplastics或金屬合金的半固態(tài)加工過(guò)程。 


圖2. SN彈性體的擠出回收及力學(xué)性能恢復(fù)測(cè)試


SN彈性體、傳統(tǒng)橡膠和商用TPV的性能比較


  為了確證SN彈性體作為新一代TPV的性能優(yōu)勢(shì)，作者將多種SN彈性體（ICE-CP3/100和ICE-CP3/100-20CB，ICE-CP3/150-16CB，后兩者為炭黑填充樣品）與使用相同配方通過(guò)傳統(tǒng)硫化工藝制備的對(duì)照樣品（Control-A和Control-B）和商品化TPV的綜合性能進(jìn)行比較。首先，與傳統(tǒng)硫化橡膠相比，SN彈性體不僅具有與傳統(tǒng)硫化橡膠相當(dāng)?shù)母吣z率，且展現(xiàn)出更高的拉伸模量（圖3（a-b））。此外，ICE-CP3/100在室溫回彈及抗蠕變性能方面亦可與傳統(tǒng)硫化橡膠相媲美（圖3（c-d））。隨后，作者對(duì)比了ICE-CP3/150-16CB和硬度相近的兩種商品化TPV的綜合性能。如圖3（e）所示，SN彈性體的斷裂伸長(zhǎng)率與兩種TPV相似，卻具有明顯更高的拉伸強(qiáng)度（可達(dá)15 MPa）。與此同時(shí)，ICE-CP3/150-16CB的拉伸滯后能、殘余應(yīng)變及壓縮永久形變明顯低于兩種TPV，證明其具有更優(yōu)異的回彈及尺寸穩(wěn)定性（圖3（f-g））。更重要的是，ICE-CP3/150-16CB的擠出回收樣品與兩種TPV相似，表面平整光滑無(wú)缺陷，證明其具有媲美于TPV的擠出回收能力（圖3（h））。 


圖3. SN彈性體、傳統(tǒng)橡膠和商用TPV的性能比較


  基于富含動(dòng)態(tài)硫鍵的橡膠顆粒在生膠基體中的界面交聯(lián)和逾滲，構(gòu)筑了具有多層次交聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性骨骼網(wǎng)絡(luò)（SN）。在擠出流場(chǎng)作用下，SN彈性體通過(guò)不斷地重復(fù)“愈合-破裂-愈合”轉(zhuǎn)化過(guò)程實(shí)現(xiàn)了整體網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)和宏觀“流動(dòng)”，賦予了硫化橡膠穩(wěn)定的擠出回收能力，突破了當(dāng)前動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián)橡膠工業(yè)化連續(xù)回收的技術(shù)瓶頸。更重要的是，SN彈性體具有媲美于傳統(tǒng)硫化橡膠的高凝膠率、高回彈、高抗蠕變和力學(xué)強(qiáng)度，明顯優(yōu)于目前市售商品化TPV產(chǎn)品，為新一代TPV的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供全新思路。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300856

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