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

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》。