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北京化工大學岳冬梅教授團隊 Macromolecules：立體規(guī)整性對天然橡膠拉伸結(jié)晶性能的影響
2024-05-12  來源：高分子科技

  作為重要的戰(zhàn)屢物資，天然橡膠（NR）因其優(yōu)異的綜合性能（高強度、高韌性、高彈性、抗裂紋擴展、低生熱等）被廣泛應用于橡膠工業(yè)。但是，受病蟲害及種植區(qū)域限制，NR產(chǎn)量十分有限，無法滿足實際應用需求。在此背景下，分子鏈結(jié)構(gòu)與NR相同的合成異戊橡膠（IR）應運而生。然而，即使具有高順式含量（順式含量＞98%），IR的機械性能也僅能達到NR的70~80%。因此，揭示NR與IR性能差異的原因具有重要意義。此前有關NR與IR性能差異的原因一直存在爭議：一方面認為NR的優(yōu)異性能主要源于非膠組分對拉伸結(jié)晶的促進作用；另一方面則認為接近100%的順式含量是NR性能更佳優(yōu)異的關鍵。


  為了探明上述問題，近日，北京化工大學先進彈性體材料研究中心岳冬梅教授團隊通過巰基自由基誘導的異構(gòu)化改性，制備了一系列不同反式含量的異構(gòu)化天然橡膠（iNR）；在保留非膠組分的前提下，以此為模型研究了立體規(guī)整性對NR拉伸結(jié)晶性能的影響（圖1）。他們發(fā)現(xiàn)，引入4%的反式構(gòu)型并不會影響NR的拉伸結(jié)晶性能和機械性能（圖2、3、4）。鑒于iNR-4%的規(guī)整性低于IR（順式含量＞98%），但其性能卻媲美NR，由此證明NR與IR性能差異主要源于IR非膠組分的缺失，而非規(guī)整性的差異。當反式含量提高至10%時，iNR-10%的結(jié)晶度降低，起始結(jié)晶應變增大；但在非膠組分的作用下（類似于犧牲鍵的能量耗散作用），其機械性能仍與NR相當。進一步增大反式含量至19%，規(guī)整性的降低會抑制其拉伸結(jié)晶；但在非膠組分的能量耗散作用下，即使未添加填料補強，iNR-19%的拉伸強度仍可高達15.1 MPa。該研究促進了對NR結(jié)構(gòu)性能關系的理解，并有助于指導高性能彈性體材料的制備。該成果以“Effect of stereoregularity on strain-induced crystallization and mechanical properties of natural rubber”為題發(fā)表在《Macromolecules》上，文章的第一作者為北京化工大學2020級博士研究生祁鑫（現(xiàn)已入職中國石化北京化工研究院）。該工作得到了泰山產(chǎn)業(yè)領軍人才工程、山東省重點研發(fā)計劃（ZK20200134）的支持。 


圖1 （a）NR、（b）IR、（c）iNR的結(jié)構(gòu)模型；（d）制備iNR的反應式


 圖2 NR、IR、不同反式含量的iNR的（a）應力-應變曲線，（b）楊氏模量和韌性，（c）拉伸回復曲線，（f）能量耗散率；（d）（e）以NR為例計算能量耗散率的方法


 圖3 （a）NR、（b）IR、（c）iNR-4%、（d）iNR-10%不同應變下的2D-WAXD譜圖


 圖4 NR在600%應變下的（a）2D-WAXD譜圖、（b）1D-WAXD譜圖及分縫擬合結(jié)果；（c）NR、IR、iNR-4%、iNR-10%結(jié)晶度與應變的關系


  該工作是團隊近期關于異構(gòu)化改性研究材料結(jié)構(gòu)性能關系的最新進展之一。此前，團隊受生物啟發(fā)，通過巰基自由基誘導的異構(gòu)化反應，實現(xiàn)了杜仲膠性能的立體化學控制（Macromolecules. 2023, 56, 416?425）。此外，團隊還重點關注杜仲膠功能材料研究，近年來開發(fā)出高阻尼環(huán)化杜仲膠彈性體材料（RSC Adv. 2019, 9, 42367）、耐油杜仲酯彈性體材料（J. Mater. Sci. 2020, 55, 4940）、耐老化氫化杜仲膠彈性體材料（J. Appl. Polym. Sci. 2021,138, e50007）、兼具高強度和可回收性的多功能杜仲膠彈性體材料（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 25399）、體溫響應型杜仲膠-SiO2形狀記憶復合材料（Macromol. Mater. Eng. 2021, 2100370）、可拉伸結(jié)晶的環(huán)氧化杜仲膠彈性體材料（Macromolecules. 2022, 55, 2758?2767）、具有雙向形狀記憶性能的多功能杜仲膠形狀記憶材料（ACS Applied Materials & Interfaces. 2023, 15, 3497-3506.）。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c00116

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（責任編輯：xu）
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