SIBR及相关弹性体在臭氧老化过程中的开裂、微观结构和力学性能变化
苯乙烯-异戊二烯-丁二烯橡胶（sibr）是一种具有低滞后和高路面附着力特性的新型轮胎胎面橡胶，被广泛应用于汽车制造领域。在实际的大气环境服役过程中，臭氧容易与sibr分子链中大量的不饱和双键结构发生化学反应使其性能劣化，严重影响轮胎使用寿命。为了研究sibr在臭氧老化后的力学性能变化，青岛科技大学橡胶塑料重点实验室的xiaolei wang等人利用显微镜-红外技术监测了臭氧老化后橡胶微观结构的变化，并采用万能试验机研究了sibr、ssbr和ndir在臭氧老化前后的力学性能差异性。
在臭氧老化过程中，sibr、ssbr和nd-ir的表面形貌如图所示1。nd-ir初始阶段的裂纹长度相对较长，ssbr的初始裂纹长度较短，而sibr的初始裂纹长度在nd-ir和ssbr的长度之间，但裂纹数量最少。在ssbr中，聚丁二烯单元中的双键容易参与臭氧老化，聚苯乙烯单元由于苯环的共轭反应而相对稳定，因此ssbr的耐臭氧老化性能相对较强。对于nd-ir，由于亚甲基对聚异戊二烯单元具有给电子效应，nd-ir中的聚异戊二烯单元双键在化学反应中更活跃，容易与臭氧反应，nd-ir的裂纹比sibr的裂纹密集得多。橡胶老化过程中裂纹长度随老化时间的演化如图2所示。在sibr中出现裂纹后，裂纹的扩展速度较慢，而在nd-ir和ssbr中，裂纹的扩展速度较快。由此可见，sibr具有较好的耐臭氧老化和抗开裂性能。
图1橡胶臭氧老化过程中表面形貌。(a)sibr,(b)ssbr,(c)nd-ir
图2橡胶老化过程中裂纹长度随老化时间的演变
使用显微镜-红外光谱技术研究sibr臭氧裂纹内部微观结构的变化，并与nd-ir和ssbr进行比较，如图3所示。在臭氧老化过程中，sibr、ssbr和nd-ir都会产生碳氧基团，并且裂纹处的碳氧键吸收峰强度高于表面没有裂纹的区域。臭氧和碳碳双键反应可以形成臭氧氧化产物，在臭氧老化过程中形成碳-氧键基团。同时，在臭氧老化过程中，橡胶表面出现裂纹，裂纹面与臭氧接触的面积较大，裂纹处双键之间的臭氧老化反应程度更加剧烈。sibr中形成的碳氧键的吸收峰比ssbr和nd-ir的吸收峰更强。在sibr的裂纹处存在大量的碳氧键，表明sibr主要参与的臭氧老化反应集中在裂纹处，因此sibr的裂纹增长速度较慢，但裂纹深度更深。
图3三种橡胶的臭氧裂解红外光谱。(a)sibr,(b)ssbr,(c)nd-ir
sibr、ssbr和nd-ir在臭氧老化72小时前后的力学性能如图所示4。臭氧老化后，sibr、ssbr和nd-ir的拉伸强度都显著降低。在臭氧老化过程中，臭氧与双键反应形成表面臭氧膜，使橡胶表面层材料性能下降。在20%的变形条件下，臭氧膜破裂形成裂纹并纵向扩张，从而降低了橡胶的力学性能。由于表面裂纹的存在，模量和断裂伸长率都显著降低。
该工作从微观结构角度分析了橡胶的臭氧老化机理并分析其力学性能的变化。在实际服役过程中，橡胶材料表面的裂纹数量是导致其力学性能劣化的主要因素，后续可以进一步讨论表面裂纹数量对力学性能劣化的影响机理。此外，可借鉴该工作中使用的显微镜-红外光谱技术，研究vhb丙烯酸弹性体在热老化过程中微观结构的演化规律，辅助分析微观开裂机制及其成因，微孔洞的生长与发展及其与宏观力学性能（如块体模量，表面模量，拉伸强度，断裂伸长率，断裂韧性）演化的关系，以揭示vhb宏观力学性能演化的深层机理。
图4硫化橡胶在臭氧老化前后的力学性能。(a)拉伸强度,(b)模量,(c)断裂伸长率
相关论文以“cracking, structural, and mechanical property changes of sibr and related elastomers during the ozone aging process”为题发表在《polymer degradation and stability》。
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图1橡胶臭氧老化过程中表面形貌。(a)sibr,(b)ssbr,(c)nd-ir
图2橡胶老化过程中裂纹长度随老化时间的演变
使用显微镜-红外光谱技术研究sibr臭氧裂纹内部微观结构的变化，并与nd-ir和ssbr进行比较，如图3所示。在臭氧老化过程中，sibr、ssbr和nd-ir都会产生碳氧基团，并且裂纹处的碳氧键吸收峰强度高于表面没有裂纹的区域。臭氧和碳碳双键反应可以形成臭氧氧化产物，在臭氧老化过程中形成碳-氧键基团。同时，在臭氧老化过程中，橡胶表面出现裂纹，裂纹面与臭氧接触的面积较大，裂纹处双键之间的臭氧老化反应程度更加剧烈。sibr中形成的碳氧键的吸收峰比ssbr和nd-ir的吸收峰更强。在sibr的裂纹处存在大量的碳氧键，表明sibr主要参与的臭氧老化反应集中在裂纹处，因此sibr的裂纹增长速度较慢，但裂纹深度更深。
图3三种橡胶的臭氧裂解红外光谱。(a)sibr,(b)ssbr,(c)nd-ir
sibr、ssbr和nd-ir在臭氧老化72小时前后的力学性能如图所示4。臭氧老化后，sibr、ssbr和nd-ir的拉伸强度都显著降低。在臭氧老化过程中，臭氧与双键反应形成表面臭氧膜，使橡胶表面层材料性能下降。在20%的变形条件下，臭氧膜破裂形成裂纹并纵向扩张，从而降低了橡胶的力学性能。由于表面裂纹的存在，模量和断裂伸长率都显著降低。
该工作从微观结构角度分析了橡胶的臭氧老化机理并分析其力学性能的变化。在实际服役过程中，橡胶材料表面的裂纹数量是导致其力学性能劣化的主要因素，后续可以进一步讨论表面裂纹数量对力学性能劣化的影响机理。此外，可借鉴该工作中使用的显微镜-红外光谱技术，研究vhb丙烯酸弹性体在热老化过程中微观结构的演化规律，辅助分析微观开裂机制及其成因，微孔洞的生长与发展及其与宏观力学性能（如块体模量，表面模量，拉伸强度，断裂伸长率，断裂韧性）演化的关系，以揭示vhb宏观力学性能演化的深层机理。
图4硫化橡胶在臭氧老化前后的力学性能。(a)拉伸强度,(b)模量,(c)断裂伸长率
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