青科大在高性能绿色轮胎材料开发获进展

（1）可反应大分子加工助剂：改善氯丁橡胶加工及力学性能的手段

氯丁橡胶CR因其优良的阻燃性、耐热性、耐候性和耐化学性而被广泛应用于汽车配件、电线电缆护套和胶粘剂。然而，大分子的极性特性导致CR加工性能差，抗疲劳性能不理想。添加小分子增塑剂可改善CR的加工性，但是小分子增塑剂易挥发、迁移，不仅带来环境与健康问题，而且材料耐久性差；添加NR、BR等通用橡胶可改善CR的加工性及耐疲劳性。近日，青岛科技大学贺爱华教授课题组采用一种新型、可反应的大分子助剂—反式丁戊橡胶改性CR，获得了具有优异可加工性及耐疲劳性能的CR材料，相关成果发表于Polymer上。

图1. a)门尼粘度以及门尼应力松弛速率，b)门尼焦烧时间

高反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚物（TBIR）是一种具有高反式-1,4-构型（>90%）的多嵌段共聚橡胶，具有良好的可塑性（Polymer 156 (2018) 148-161；Polymer 143 (2018) 173-183；Polymer 186 (2020) 1-7等）。研究表明，TBIR可作为NR/BR或SSBR/BR的反应性多功能相容剂（Compos. Part A 116 (2019) 197-205；Compos. Sci. Technol. 158 (2018) 156-163）。TBIR不仅能增强橡胶基体强度与模量，而且能改善NR和BR的相容性，抑制填料偏析，提高橡胶的综合性能（Ind. Eng. Chem. Res. 58 (2019) 917-925）。

图2. CR/TBIR共混物的挤出形貌: a) CR/TBIR=100/0，b) CR/TBIR=90/10，c) CR/TBIR=80/20；挤出速率：1) 5 s-1, 2) 50 s-1, 3) 100 s-1, 4) 1000 s-1；标尺为2000 μm

少量TBIR改性CR，可减低CR的粘度，改善其流动性及加工安全性（图1），改善CR的挤出形貌，抑制熔体破裂产生（图2）。 进一步研究发现，CR/TBIR共混物为微相分离结构（图3），且含有片晶及片晶堆积结构（图4）。

图3.未填充CR/TBIR硫化胶的TEM照片：a) CR/TBIR=100/0，b) CR/TBIR=90/10，c) CR/TBIR=80/20，d) CR/TBIR=0/100；1：低倍，2：高倍

图4. CR/TBIR共混物的AFM照片：a) CR/TBIR=100/0，b) CR/TBIR=90/10，c) CR/TBIR=80/20，d) CR/TBIR=0/100；1：低倍，2：高倍

图5. CR及CR/TBIR硫化胶的一级屈挠疲劳次数

CR/TBIR硫化胶具有优异的抗疲劳性能（图5）：与CR硫化胶相比，CR/TBIR硫化胶的一级疲劳寿命提高了391~537%。

综上，作者采用新型反式丁戊橡胶改善了氯丁橡胶的难加工及疲劳性能差的问题。该工作为制备高性能CR制品提供了解决方案。研究工作第一作者是宗鑫，通讯作者是张新萍博士、贺爱华教授。研究工作得到了山东省自然科学基金重大基础研究项目（ZR2017ZA0304）、泰山学者工程的资助。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.polymer.2020.123325

（2）高性能绿色轮胎材料开发

汽车及交通运输业的快速发展带来众多能源及环保问题，例如，燃油消耗增加引发的资源枯竭担忧、二氧化碳及PM2.5排放等环境问题，因此开发低滚动阻力、高耐磨、抗湿滑、高耐疲劳的先进绿色轮胎材料引起了学术界的广泛关注。

本研究从增强填料-基体相互作用、改善填料分散性、增强橡胶基体强度、调控橡胶基体的聚集态结构等角度出发，制备了综合性能（滚阻、耐疲劳、抗湿滑、耐磨）优异的先进轮胎材料（图1）。SSBR橡胶大分子末端化学改性显著增强了填料-基体相互作用；结晶性反式丁戊共聚橡胶TBIR的引入，起到补强基体的作用，同时抑制了停放过程中的填料聚集，改善了填料分散性；此外，TBIR在调控橡胶基体的相结构与有序结晶结构方面发挥积极作用。

图1.橡胶纳米复合材料的微观结构：a）对照组SSBR/BR1；b）实验组F-SSBR/BR2；c）实验组F-SSBR/BR2/TBIR

研究发现，与对照组相比，实验组F-SSBR/BR2的抗湿滑性提升25%，滚阻降低10%，磨耗体积降低7%；实验组F-SSBR/BR2/TBIR性能在F-SSBR/BR2基础上进一步提升：滚阻降低26%，耐磨性提升13%，耐疲劳性提升288%等（图2）。本研究为制备高性能绿色轮胎胎面胶提供了简便有效的方法。

图2 a)抗湿滑及滚动阻力；b）拉伸疲劳及磨耗；c）与对照组SSBR/BR1综合性能相比

该研究成果近日以《发展绿色轮胎胎面胶的新手段：增强填料-基体界面相互作用及动态力学性能》(Facile strategies for green tire tread with enhanced filler-matrix interfacial interactions and dynamic mechanical properties)为题，发表在材料类1区期刊Composites Science and Technology上。该论文第一作者为张新萍博士，通讯作者为贺爱华教授，青岛科技大学高分子学院为本文的第一单位，合作作者有大连理工大学的李杨教授及马红卫副教授、 中国科学院大连化学物理研究所的胡雁鸣研究员、青岛科技大学的张学全教授、北京化工大学的刘力教授等。该研究工作得到了国家重点基础研究发展计划（973计划），山东省重大基础研究项目以及泰山学者工程的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386120311502

贺爱华教授课题组简介

课题组长期从事烯烃催化与聚合及橡塑新材料的基础与工程应用研究，在聚丁烯系列新材料、新型合成橡胶领域取得突破性进展，发表论文200余篇，获授权发明专利30余项。团队先后荣获山东省高校黄大年式教师团队，青岛市巾帼文明岗、石化联合会创新团队奖等集体荣誉。

贺爱华教授简介

贺爱华，教授，博士生导师。2001年毕业于北京化工大学，获博士学位；2001至2009年在中国科学院化学研究所工作；2009年至今在青岛科技大学工作，从事烯烃催化与聚合及橡塑新材料的基础与工程应用研究。先后获得泰山学者特聘教授，山东省杰出青年基金获得者，全国三八红旗手，山东省有突出贡献中青年专家，山东省第十届青年科技奖，全国化工优秀科技工作者等荣誉。担任Polymer International顾问编委，高分子通报、青岛科技大学学报、橡胶工业、轮胎工业、山东化工等期刊编委。先后获得国家技术发明二等奖、教育部技术发明二等奖、青岛市技术发明二等奖、侨界创新成果贡献奖等科技奖励。

来源：整理于青岛科技大学