北京化工大学先进弹性体材料研究中心在中国工程院院士张立群教授带领下，围绕能源、资源、环境、生命健康等领域的重大需求和传统橡胶产业的技术升级，从基础科学研究、关键技术创新和重大工程应用等方面展开全链条研究，培养高水平创新人才，推动弹性体材料领域基础科学和技术水平的提高。
面对弹性体材料日新月异的快速发展，更好地促进橡胶行业的科技进步，中心特推出重要研究成果展示栏目，与同行共勉。本期展示的主要成果：
（一）炭黑/弹性体纳米复合材料纳米尺度下界面相互作用与性能的定量表征及机理研究
使用纳米填料对橡胶进行增强是制备高性能橡胶材料的必要途径，炭黑是目前橡胶工业中性能最好、用量最大的补强填料。填料对橡胶材料性能的影响由多尺度的微观结构所决定，包括橡胶网络、填料-填料网络和填料-橡胶网络，而后两者均取决于填料和橡胶之间的相互作用，因此界面的结构与性能是制备高性能复合材料的关键。但由于传统表征方法分辨率不足的限制，目前很难清晰地揭示轮胎用橡胶纳米复合材料的微观结构尤其是纳米尺度下的界面结构与宏观性能之间的关系，炭黑对橡胶的高增强背后的微观机理仍未被完全理解。因此，定量表征界面相的微观结构和纳米力学性能等对于设计制备高性能的橡胶材料至关重要。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109367
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、田明教授、宁南英教授、田晨晨博士后等实现了对炭黑/弹性体纳米复合材料纳米尺度下的界面性能的定量表征并探讨了其界面相互作用机理。相关成果以“Quantitative characterization of interfacial properties of carbon black/elastomer nanocomposites and mechanism exploration on their interfacial interaction”为题发表在国际知名期刊《Composites Science and Technology》。
使用纳米填料对橡胶进行增强是制备高性能橡胶材料的必要途径，炭黑是目前橡胶工业中性能最好、用量最大的补强填料。填料对橡胶材料性能的影响由多尺度的微观结构所决定，包括橡胶网络、填料-填料网络和填料-橡胶网络，而后两者均取决于填料和橡胶之间的相互作用，因此界面的结构与性能是制备高性能复合材料的关键。但由于传统表征方法分辨率不足的限制，目前很难清晰地揭示轮胎用橡胶纳米复合材料的微观结构尤其是纳米尺度下的界面结构与宏观性能之间的关系，炭黑对橡胶的高增强背后的微观机理仍未被完全理解。因此，定量表征界面相的微观结构和纳米力学性能等对于设计制备高性能的橡胶材料至关重要。
图1炭黑的AFM表面形貌图（a、b）以及相应的高度-位移曲线（c）
图2 炭黑/橡胶纳米复合材料界面结构与性能的定量表征及界面相互作用机理
（二）耐高温、耐油、高阻隔、可回收FKM/EFEP TPV的制备与性能研究
随着科技的发展进步，社会对汽车污染物的排放愈发关注，排放限制日趋严格，对节能和安全的要求也越来越高，由此也促进了汽车技术的发展。目前，汽车燃油管路系统排放量在汽车整车蒸发排放量中占有明显比重，由于燃油组成多样化（含醇燃料的使用）、使役环境严苛化（高温高压）和环保的要求，汽车燃油管路系统材料不仅需要有良好的机械性能和高弹性，而且对耐温性、耐油性、气体阻隔性（对挥发性燃油）、加工性和可回收性提出了更高的要求。然而，传统燃油管路材料（PA，NBR，ECO，FKM，THV等）尚无法同时满足这些性能的要求，因此，开发可以同时兼顾以上性能的新型材料刻不容缓。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.125429
近日北京化工大学北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、田明教授、博士生郭业龙等人设计制备出了一种具有优异耐高温、耐油、高阻隔性能并且可以重复回收利用的FKM/EFEP TPV。该成果以“Preparation of FKM/EFEP thermoplastic vulcanizate with excellent heat and oil resistance, gas barrier property and recyclability.”为题，发表在国际知名期刊《Polymer》上。
该工作采用FKM和EFEP（氟树脂）作为基体材料，通过FKM交联体系配方设计和加工工艺优化，成功制备了具有精细相态结构的氟橡胶（FKM）/ EFEP TPV（FTPV）。所制备的FTPV不仅具有良好的机械性能、弹性、加工性能和可回收性，而且同时具有优异的耐油性和气体阻隔性能。在此基础上，进一步揭示了FKM/EFEP TPV的相态演变机理。动态硫化过程中，由于FKM交联度的增加和相容性的改善，共混物中形成了大量的单颗橡胶亚微米颗粒，作为分散相的橡胶相实际上是由大量橡胶颗粒团聚而成的团聚体，在剪切应力和相容性改善的综合作用下，橡胶亚微米颗粒团聚物的尺寸逐渐减小，单个橡胶亚微米颗粒的数量逐渐增加，最终形成了精细的相态结构。该研究得到了国家自然科学基金（批准号51525301）的赞助与支持。
图1 FKM/EFEP TPV动态硫化过程中扭矩-时间、温度-时间和橡胶交联程度的变化图
图2 FKM/EFEPTPV各样品的AFM显微照片（暗区代表FKM相，亮区代表EFEP相）：（A）样品A，t=1.0分钟；（B）样本B，t=1.4分钟；（C）样本C，t=3.0分钟；（D）样本D，t=8.0分钟
（三）新型环保浸渍体系的制备与界面粘合性能研究
纤维橡胶复合材料作为高性能复合材料被广泛应用在航空和载重轮胎，输送带和抗压胶管等领域。其中纤维和橡胶两种材料具有较大的极性和模量差异，其界面处的应力传递决定了整个材料的好坏。界面层需要满足承载应力和模量传递的作用，因工业上常用的骨架纤维均具有较高的极性，与非极性的橡胶之间难以起到良好的粘合，往往要经过表面处理之后才能使用。工业生产中一直沿用RFL（间苯二酚-甲醛-胶乳）浸渍法处理纤维帘线，其效果优异且工业处理流程简单，经济性较好，与其匹配的大型浸胶生产线在轮胎帘子线行业内普及。直到近些年环境问题的加剧以及国内和国际对生态环境保护政策法规的出台，甲醛的危害被行业和用户所重视，RFL浸渍体系的环保替代解决方案也开始成为企业研发的重点。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c03740
近日北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、田明教授、硕士生刁双祺等设计开发了一种低毒性的纤维环保浸渍体系。该成果以“Highly Interfacial Adhesion and Mechanism of Nylon-66/Rubber Composites by Designing Low-Toxic RF-like Dipping Systems”为题，发表在国际知名期刊《Industrial & Engineering Chemistry Research》上。
该工作基于芳香族多酚/芳香族多醛开发设计了新型环保一浴浸渍体系来实现RFL体系的环保替代，如图1所示，该体系具有低毒无挥发的特点。在最佳的树脂P/T比例下，新型浸渍体系使得纤维表面被浸渍了平整光滑的浸渍层，这使得复合材料的界面处形成具有一定模量和交联密度的界面结构，随着与橡胶基体的共硫化作用最终增强界面粘合效果。浸渍纤维表现出优秀的界面粘合性能，如图2所示，H抽出力达到195.3N，剥离力达到20.8N，疲劳寿命达到超过15万次，15天界面粘合保持率为93.9%，均达到了RFL浸渍处理的水平。新型浸渍体系对环境友好并无需在设备上做出较大改动，具有工业化前景。这项工作得到了国家自然科学基金重点项目（51833002，51790501）的支持。
图1 PTL低毒浸渍体系反应与浸渍机理
图2 PTL与 RFL体系浸渍纤维（a）H-抽出力（b）剥离力粘合性能对比
编辑：刘力，高洋洋
供稿：田晨晨，郭业龙，刁双祺
