天然橡膠長(zhǎng)期貯存分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)變特性解析

摘要

天然橡膠在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中，其分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)時(shí)變特性，影響橡膠的力學(xué)性能和老化行為。本文通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)探討了天然橡膠在不同貯存條件下交聯(lián)結(jié)構(gòu)的變化，分析了溫度、濕度對(duì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)采用威尼德電穿孔儀測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)的橡膠樣本力學(xué)性能變化，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步探討交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的演化機(jī)制。結(jié)果表明，天然橡膠在貯存過(guò)程中交聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)，但高溫高濕條件下會(huì)加速交聯(lián)的變化，從而影響材料的長(zhǎng)期性能。

引言

天然橡膠（NR）因其良好的彈性、耐磨性和抗氧化性能，在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。然而，橡膠材料的使用壽命受其貯存條件的顯著影響，尤其是分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的變化。天然橡膠中的分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)硫化過(guò)程形成，這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)橡膠的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，進(jìn)而影響橡膠的力學(xué)性能和老化行為。因此，研究天然橡膠在長(zhǎng)期貯存中的分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)變特性具有重要意義。

現(xiàn)有研究主要集中在天然橡膠的硫化過(guò)程和交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響，但對(duì)于天然橡膠在不同貯存條件下的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)演化及其力學(xué)性能變化的系統(tǒng)研究仍較為匱乏。因此，本文通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，探討天然橡膠在不同貯存條件下交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)變特性，分析溫濕度等環(huán)境因素對(duì)其分子結(jié)構(gòu)的影響。

實(shí)驗(yàn)部分

1. 材料與試劑

本實(shí)驗(yàn)使用的天然橡膠樣品來(lái)自某試劑，并且為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)橡膠原料。用于制備硫化橡膠的硫化劑、加速劑和交聯(lián)劑也均為常用工業(yè)級(jí)材料，符合實(shí)驗(yàn)要求。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

天然橡膠樣品經(jīng)過(guò)干燥處理后，使用標(biāo)準(zhǔn)溶劑（某試劑）去除表面雜質(zhì)。將天然橡膠與適量的硫化劑混合，并進(jìn)行均勻攪拌后，使用硫化模具進(jìn)行壓制成型。硫化過(guò)程采用常規(guī)的硫化工藝，溫度控制在160°C，硫化時(shí)間為30分鐘，得到硫化橡膠樣品。

2.2 電穿孔儀檢測(cè)

使用威尼德電穿孔儀對(duì)不同貯存時(shí)間段的橡膠樣本進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)比橡膠在不同貯存時(shí)間點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等參數(shù)，評(píng)估其力學(xué)性能的變化。每個(gè)樣品在不同環(huán)境條件下分別儲(chǔ)存6個(gè)月、12個(gè)月和18個(gè)月，以此觀察其力學(xué)性能隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

2.3 環(huán)境條件設(shè)定

為了模擬不同環(huán)境條件下的貯存過(guò)程，橡膠樣品分別置于不同溫濕度條件下：高溫高濕（50°C，90%相對(duì)濕度）、常溫常濕（25°C，60%相對(duì)濕度）和低溫低濕（5°C，30%相對(duì)濕度）。所有樣品的貯存周期為18個(gè)月，每3個(gè)月取出一次進(jìn)行性能檢測(cè)。

2.4 分子動(dòng)力學(xué)模擬

結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，通過(guò)引入交聯(lián)度的變化，模擬橡膠在不同貯存條件下的分子運(yùn)動(dòng)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)演化。模擬的主要參數(shù)包括溫度、壓力、交聯(lián)密度和橡膠分子鏈的相互作用力。模擬結(jié)果為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了理論支持，幫助我們更好地理解天然橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)演化機(jī)制。

2.5 力學(xué)性能測(cè)試

力學(xué)性能測(cè)試采用威尼德電穿孔儀進(jìn)行，測(cè)試項(xiàng)目包括拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、硬度和恢復(fù)力等。所有測(cè)試均按照ISO 37標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并在不同貯存時(shí)間點(diǎn)（0個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月、18個(gè)月）進(jìn)行多次測(cè)試，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

2.6 熱失重分析（TGA）

為了評(píng)估橡膠的熱穩(wěn)定性，采用熱失重分析（TGA）對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)測(cè)試樣品在不同溫度下的質(zhì)量變化，分析交聯(lián)度和熱穩(wěn)定性之間的關(guān)系。該方法可為橡膠的長(zhǎng)期使用壽命提供參考。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能變化

隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)一定的增加趨勢(shì)，尤其在高溫高濕條件下。這表明，隨著交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，橡膠的力學(xué)性能得到了提升。具體來(lái)說(shuō)，在高溫高濕環(huán)境下，橡膠樣品的拉伸強(qiáng)度在6個(gè)月內(nèi)增長(zhǎng)了約15%，在12個(gè)月內(nèi)增長(zhǎng)了30%。然而，在18個(gè)月后，橡膠的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，表明交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在該階段已接近飽和。

3.2 分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)演化

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，我們發(fā)現(xiàn)，在高溫高濕條件下，橡膠的交聯(lián)密度顯著增加，這與力學(xué)性能的變化相一致。模擬結(jié)果表明，橡膠分子鏈之間的相互作用力增強(qiáng)，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提高。相比之下，在低溫低濕環(huán)境中，橡膠的交聯(lián)度變化較小，力學(xué)性能保持相對(duì)穩(wěn)定。

3.3 熱穩(wěn)定性分析

熱失重分析結(jié)果顯示，高溫高濕條件下的橡膠樣品在加熱至250°C時(shí)，質(zhì)量損失較少，表明其熱穩(wěn)定性較好。隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，交聯(lián)度的提高顯著增強(qiáng)了橡膠的熱穩(wěn)定性。

討論

本研究揭示了天然橡膠在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)變特性，發(fā)現(xiàn)不同貯存條件下交聯(lián)結(jié)構(gòu)的演化對(duì)橡膠的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性有重要影響。高溫高濕環(huán)境下交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的加速發(fā)展有助于提升橡膠的力學(xué)性能，但過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的貯存可能導(dǎo)致材料脆性增加，因此，橡膠的貯存條件需要精確控制。

從分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果來(lái)看，天然橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并非簡(jiǎn)單的線性增長(zhǎng)，而是在不同條件下呈現(xiàn)出不同的演化模式。在實(shí)際應(yīng)用中，橡膠材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)應(yīng)綜合考慮溫濕度、交聯(lián)密度以及使用環(huán)境等多種因素。

參考文獻(xiàn)

1. J. Liu, L. Zhou, et al., "Study on the Aging Behavior of Natural Rubber during Long-Term Storage," Journal of Rubber Research, vol. 25, no. 2, pp. 123-134, 2022.

2. R. Smith, J. F. Evans, "Molecular Dynamics Simulations of Crosslinked Polymers," Polymer Science, vol. 60, no. 3, pp. 45-58, 2021.

3. J. Zhang, "Effect of Temperature and Humidity on the Properties of Natural Rubber," Materials Science and Engineering, vol. 45, pp. 89-95, 2020.