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如下：
（一）天然橡胶非橡胶成分定量分析及超分子网络结构构建研究
天然橡胶作为生物合成高分子材料，凭借独特的超分子网络结构和优异性能，在轮胎制造、航空航天、医疗设备等关键领域不可替代。尽管合成橡胶（如异戊橡胶）在化学结构上与天然橡胶相近，但始终缺乏其应变诱导结晶能力及关键力学性能。此前研究证实，非橡胶成分（NRCs）对微观结构形成至关重要，却未明确其含量分布、存在形态及作用机理之间的关系，导致人们对天然橡胶的“不可替代性”的本质认识不够清晰。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.120846
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心张继川教授、博士生韩冬礼和博士生郭煜雯等联合中国热带农业科学院橡胶研究所杨宁研究员，实现了天然橡胶非橡胶成分的精准定量表征，并构建出完整的超分子网络聚集态结构模型。相关成果以“Quantitative determination of non-rubber components and construction of supramolecular network aggregation state structure of natural rubber”为题发表在国际知名期刊《Industrial Crops & Products》。
本工作系统收集了中国、泰国、马来西亚、印度尼西亚等国家45种天然橡胶样本，涵盖不同产地、品系及加工类型。利用元素分析、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）、凝胶渗透色谱仪（GPC）等多维度技术，首次完成游离态与结合态非橡胶成分的定量解析（如图1）。天然胶乳经低温脱水干燥后制备的固体橡胶由橡胶烃、结合态非胶组分和游离态非胶组分构成：其中游离态成分占胶乳总质量的8.52 wt.%。除去游离态物质后的天然橡胶中，顺-1,4-聚异戊二烯链平均含量为96.90 wt.%，结合态蛋白质平均占0.44 wt.%、结合态磷脂平均占1.98 wt.%、结合态金属离子（K⁺、Mg²⁺为主）平均占0.03 wt.%，其余为结合在橡胶烃上的变异基团，它们共同构成了天然橡胶的超分子网络聚集态结构，简称超聚态天然橡胶。通过凝胶含量测试与分子量分析发现，磷脂对网络结构的贡献远大于蛋白质——去除磷脂后凝胶含量从82.66 wt.%骤降至19.25 wt.%，而去除蛋白质仅降至69.86 wt.%。基于此构建的“线性-网络”两级结构模型，揭示了磷脂作为核心交联点的作用机制（如图2）。研究还强调了加工方法在保持天然橡胶自然网络结构中的重要性。例如，避免高温和过度剪切的温和加工技术能够更好地维持天然橡胶材料的完整性，从而提升天然橡胶材料的整体性能。该研究为理解橡胶分子与NRCs之间的复杂相互作用提供了全面的认识，并为设计具有增强性能的新型橡胶材料提供了科学依据。这些见解可能会为开发能够密切模仿天然橡胶性能的仿生橡胶材料铺平道路。该工作得到国家重点研发计划（2022YFB3704800、2022YFB3704801）及国家自然科学基金项目（52273051、32170371）的支持。
图1 天然橡胶线性普适模型
图2 天然橡胶聚集态结构变化
（二）环氧天然橡胶/硅烷偶联剂协同增强杜仲胶纳米复合材料的机理与性能研究
随着我国城市化进程加速和基础设施建设的不断推进，面对更为多元化且严苛的工作环境，以及国家对环保要求的提高和安全生产的重视，市场对高品质、高性能工程轮胎的需求不断增加。高性能工程轮胎需要同时具备低生热，高耐磨、耐切割及耐疲劳性能。目前研究大多采用天然橡胶（NR）与丁苯橡胶（SBR）并用体系作为高性能工程轮胎胎面胶体系中的橡胶基体，发现存在动态生热和耐切割性能间不易平衡的难题。
文章链接：https://doi.org/10.1002/pol.20250369
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心赵秀英教授、博士生陈智等将环氧化天然橡胶（ENR）引入生物基杜仲胶（EUG）橡胶纳米复合材料，通过ENR与硅烷偶联剂的协同作用，改善了橡胶纳米复合材料内部白炭黑的分散，成功制备出了高耐磨、低生热、低滚阻的橡胶纳米复合材料。相关成果以“Synergistic Enhancement of Bio-Based Eucommia Ulmoides Gum Nanocomposites Through Epoxidized Natural Rubber and Silane Coupling Agent Integration: Advancements in High-Performance Engineering Tires”为题发表在国际知名期刊《Journal of Polymer Science》。
该研究选用杜仲胶（EUG）、天然橡胶（NR）与丁苯橡胶（SBR）作为基体材料，制备了一种新型二氧化硅增强EUG/NR/SBR纳米复合材料。为有效解决二氧化硅在基体中的团聚问题，在EUG/NR/SBR纳米复合材料体系中引入了环氧化天然橡胶（ENR）。首先，系统探究了ENR与二氧化硅之间的相互作用机制。如图1所示，研究结果表明，ENR通过氢键效应与接枝反应显著降低了二氧化硅的表面活性，从而有效改善了其在橡胶基体中的分散性。此外，还研究了ENR用量对纳米复合材料填料网络结构的影响。随着ENR含量的增加，纳米复合材料中二氧化硅的分散性得到改善，从而提高了纳米复合材料的静态和动态机械性能，如图2所示。具体而言，在ENR含量为9 phr时，与未添加ENR的NR/SBR/EUG纳米复合材料相比动态温升为25.6°C，降低了12.2%，阿克隆磨耗体积为0.135 cm³·1.61 km⁻¹，降低了21.1%。此外，动态切割体积和撕裂强度分别为2.35 g和65 kN·m⁻¹，符合高性能工程轮胎的应用标准。这项工作得到了国家重点研发计划项目（2017YFB0306904）的支持。
图1 （a）白炭黑和 ENR/白炭黑模型化合物的傅里叶变换红外谱图；（b）ENR/白炭黑模型化合物的 XPS 高分辨率谱图；（c）ENR 增强机制示意图。
图2不同ENR含量的复合材料：（a）tan δ-应变曲线，（b）动态温升，（c）阿克隆磨耗体积，（d）动态切割体积
（三）三苯基硅烷与溶聚丁苯橡胶硅氢加成反应研究
溶聚丁苯橡胶（SSBR）是绿色轮胎胎面的关键材料，其与二氧化硅的界面作用直接影响轮胎的滚动阻力、湿滑阻力等核心性能。传统SSBR因分子链缺乏极性基团，与二氧化硅表面羟基的相容性差，易导致填料团聚，难以充分发挥增强效果。硅氢加成反应具有原子利用率高、反应速率快且可实现链中多位点官能化的优势，为制备高性能官能化SSBR提供了有效途径，但其在SSBR改性中的反应机制及动力学规律尚未明确，制约了官能化SSBR的制备与应用。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2025.106258
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、刘玲教授、博士生李涵宇等人成功实现三苯基硅烷（TPS）与溶聚丁苯橡胶（SSBR）的硅氢加成反应，并系统阐明其动力学机制。相关成果以“Hydrosilylation of solution-polymerized styrene-butadiene rubber with triphenylsilane”为题发表在国际知名期刊《Reactive and Functional Polymers》。
本研究以氯铂酸为催化剂，在环己烷体系中通过硅氢加成反应制备了TPS官能化SSBR（FSSBR）。研究首次发现，催化剂需经过诱导期与SSBR中的1,2-丁二烯单元形成配体化合物，方可生成真正的催化活性中心（如图1所示），这一过程是反应启动的关键。通过图2傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振氢谱（¹H NMR）表征证实，TPS优先与SSBR的1,2-丁二烯单元反应，且随着反应时间延长，Si-Ph键、Si-C键特征峰强度逐渐增强，1,2-丁二烯单元特征峰强度减弱，证明FSSBR成功合成。
动力学分析表明，该硅氢加成反应对TPS浓度呈零级反应，对催化剂浓度呈一级反应；温度升高可显著加快反应速率，通过阿伦尼乌斯方程计算得反应活化能为16.63 kJ/mol，远低于传统橡胶改性反应活化能，说明该反应在温和条件下即可高效进行。此外，初始反应加速阶段与TPS浓度相关，这是因为Si-H基团可将低活性Pt(II)还原为高活性Pt(0)，进一步促进反应启动。该研究不仅揭示了铂催化体系在橡胶硅氢加成改性中的作用机制，更为官能化SSBR的制备提供了理论依据，所制备的FSSBR在绿色轮胎胎面领域具有广阔应用前景。该工作得到了国家科技重大专项（2024ZD0603100）的支持。
图1 催化剂与SSBR的配体交换过程
图2 SSBR与FSSBR的结构表征及反应动力学分析：（a）SSBR的¹H NMR谱图；（b）TPS的¹H NMR谱图；（c）不同时间碳-碳双键的¹H NMR变化；（d）不同时间1,2-丁二烯单元的¹H NMR变化；（e）接枝率随时间变化曲线；（f）催化剂与SSBR接触时间对接枝率的影响
（四）适用于UHMWPE纤维的新型环保低温浸渍策略：提高纤维与橡胶之间的界面粘合
随着橡胶工业的快速发展和低碳政策的日益倡导，轻量化已成为橡胶制品发展的重要方向。UHMWPE纤维具有高强度、高模量、耐磨性和耐切割性、耐化学性、轻质和低成本等优点，更能满足高强度、轻质橡胶制品的性能需求。然而，UHMWPE纤维表面的化学惰性导致其与橡胶间的界面结合力弱，极大地限制了其在橡胶制品中的应用。UHMWPE纤维表面缺乏活性位点，传统的RFL二浴处理的效果十分不理想。而且RFL体系中含有致癌物质甲醛，其高挥发性和高毒害性极易对生产人员的健康和环境造成危害，无法满足越来越紧迫的环保的要求。尽管近年来有许多环保浸渍体系的研究，但其浸渍处理温度均在200℃以上，无法很好地应用于不耐高温的UHMWPE纤维。因此，研究适用于UHMWPE纤维的低温环保浸渍体系是非常重要的。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.162490
近日北京化工大学先进弹性体材料研究中心王文才教授、博士生殷立杰等人研究了一种适用于UHMWPE纤维的表面低温环保浸渍改性策略。该成果以“New environmentally friendly low-temperature dipping system for UHMWPE fibers: Improving interface adhesion between fiber and rubber.”为题，发表在国际知名期刊《Applied Surface Science》上。
该工作研究了一种适用于UHMWPE纤维的新型低温环保浸渍体系，以增强纤维与橡胶之间的界面结合。探究了低温真空氧等离子体处理对传统一浴活化液的替代效果。使用低温解封的封闭异氰酸酯、低聚多元醇、交联剂和VP胶乳制备了一种环保型的低温浸渍体系（PIL），如图1所示。在较低的固化温度下，PIL体系的粘合效果优于传统的RFL体系，UHMWPE-P-PIL纤维与橡胶间的H抽出力提高了114%，纤维的拉断强度损失率保持在5%以内，界面动态疲劳寿命提高了525%，这有助于提高纤维/橡胶复合材料的使用寿命和使用安全性，如图2所示。深入研究了界面处的硫元素聚集行为和模量梯度过渡效应，通过界面动态疲劳和热红外成像，阐明了浸渍纤维与橡胶间的界面结合机理和粘合失效机制。该方法具有工艺简单、损伤小、连续化等优势，为UHMWPE纤维/橡胶复合材料的界面设计提供了新的指导。
图1 UHMWPE纤维表面浸渍改性处理示意图
图2 （a）纤维样品老化前后H抽出力，（b）各种改性样品的动态疲劳寿命，（c）UHMWPE-P-PIL/橡胶复合材料的动态疲劳曲线，（d）UHMWPE-P-PIL/橡胶复合材料疲劳过程的界面温升曲线和（e）界面温升过程的红外热图像
（五）基于聚合诱导相分离的具有精细相结构和舒适人体触感的热塑性聚氨酯/硅橡胶（TPU/SiR）热塑性弹性体
热塑性弹性体（TPEs）兼具橡胶的弹性和塑料的可加工性，在柔性电子、医疗器械及传感器等领域应用广泛。其中，硅橡胶基热塑性弹性体（Si-TPEs）因其优异的生物相容性、耐候性、热稳定性和人体触感舒适性，尤其适用于生物友好材料和电子皮肤等高端领域。然而，硅橡胶与传统通用塑料（如TPU）间存在显著热力学不相容性，导致所得共混型热塑性弹性体相态不均匀、性能不稳定，一般需采用加入增容剂办法，优化材料相态结构，提高其性能。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D4PY01209G
近日北京化工大学先进弹性体材料研究中心田明教授、于冰副教授、硕士生郭旭彤等人通过聚合诱导相分离的方法制备了一种新型的共混型硅橡胶基热塑性弹性体，该成果以“Thermoplastic polyurethane/silicone rubber (TPU/SiR) thermoplastic elastomers with fine phase structures and comfortable textures based on polymerization-induced phase separation”为题，发表在国际知名期刊《Polymer Chemistry》上。
本工作中，研究团队采用聚合诱导相分离（PIPS）的新方法制备由硅橡胶（SiR）和热塑性聚氨酯（TPU）组成的共混型热塑性弹性体（TPU/SiR TPEs）。在TPU预聚合过程中，分散在共混体系中的SiR发生了相分离，形成了良好的海岛相结构，然后通过SiR分散相的快速交联固定相形态，并通过TPU预聚物的扩链得到TPU/SiR TPEs。基于Flory-Huggins理论模型，团队从热力学角度揭示体系相分离的原理。通过改变TPU的预聚合时间可以控制TPU/SiR TPEs的相态。如图1所示，当TPU预聚合时间为20 min，SiR相含量为22 wt%时，TPU/SiR TPEs的分散相尺寸为0.37 μm，呈均匀分布的海岛相结构。该材料的力学性能可以通过SiR的相对含量进行调控，如图2所示，TPU/SiR TPEs的拉伸强度可达12.9MPa，断裂伸长率不低于450%。同时，SiR相的引入显著提升了材料的低温回弹性能和表面触感，其摩擦系数降低、耐水耐汗性也得到明显改善，在柔性电子封装、智能穿戴设备、低温环境密封件等领域具备广阔的应用前景。该研究得到了国家自然科学基金（批准号52473054、52173054、52221006）等项目的支持。
图1 通过聚合诱导相分离制备TPU/SiR TPEs的原理以及通过SiR相交联与相分离的相对时间调控材料的相态结构
图2 不同SiR分散相含量的TPU/SiR TPE的力学性能
（六）环氧度对环氧化天然橡胶的取向行为、应变诱导结晶能力及机械性能的影响研究
环氧化天然橡胶（ENR）是一类由天然橡胶经原位环氧化改性制备的高性能生物基橡胶材料，凭借优异的机械强度、可反应性和抗湿滑性能，在轮胎工业、界面改性等领域展现出广阔应用前景。尤为关键的是，环氧化天然橡胶保留了天然橡胶独特的应变诱导结晶特性，环氧度对环氧化天然橡胶的微观结构和宏观性能起着关键作用。然而，环氧度与环氧化天然橡胶的取向结构、应变诱导结晶行为及机械性能之间的响应的关系，尚未被完全阐明，制约着环氧化天然橡胶在高性能复合材料领域的应用。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2025.128541
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心吴晓辉副教授、博士生王梓轩等研究了环氧度对环氧化天然橡胶的应变诱导结晶和机械性能的影响并探讨了其内在取向结晶机理。相关成果以“Effects of epoxidation degree on strain-induced crystallization and mechanical properties of epoxidized natural rubber”为题发表在国际知名期刊《Polymer》。
在本工作中，通过同步辐射广角X射线衍射、偏振傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜等技术，系统研究了不同环氧度对环氧化天然橡胶应变诱导结晶行为、力学性能和分子链取向的影响。如图1所示，ENR10（环氧度10%）表现出最高的拉伸强度（30.8 MPa）和撕裂强度（35.9 kN/m），与天然橡胶（NR）相比分别提高了27.8%和40.2%。环氧度在分子链取向和微晶生长中影响最为显著，如图2所示，对于低环氧度的环氧化天然橡胶，环氧基团增强了分子链取向和应变诱导结晶能力，促进更多微晶形成，加速了微晶网络的建立，微晶的持续生长和交联可显著提高拉伸强度和撕裂强度。而对于高环氧度的环氧化天然橡胶，空间位阻效应及过量的环氧基团间相互作用增强，抑制了分子链取向和微晶生长，进而削弱了微晶形成能力和材料应变诱导结晶性能，导致结晶度和力学性能下降。该工作得到了国家重点研发计划项目（2022YFB3704800, 2022YFB3704802, 2022YFB3704801, 52003017）的支持。
图1 不同环氧度ENR的机械性能：(a)应力-应变曲线，(b)拉伸强度，(c)撕裂强度，(d) 100%定伸应力，(e) 300%定伸应力，(f)断裂韧性。
图2 环氧基团对ENR分子链取向和应变诱导结晶能力的影响机理
（七）通过界面改性增强环氧化天然橡胶/天然橡胶/白炭黑复合材料研究
传统绿色轮胎通常由溶聚丁苯橡胶、白炭黑、硅烷偶联剂及其它加工助剂组成，该体系存在两个关键问题：一是溶聚丁苯橡胶属于石油基原材料，依赖于化石资源，不符合当前可持续发展趋势；二是硅烷偶联剂与白炭黑发生硅烷化反应时，产生挥发性有机物排放。环氧化天然橡胶（ENR）作为由天然橡胶（NR）经环氧化反应制得的高性能生物基原材料，为解决上述问题提供了新思路。在轮胎工业中，以环氧化天然橡胶与天然橡胶为基体、白炭黑为填料制备高性能生物基轮胎，已成为重要技术路径。然而，环氧化天然橡胶与天然橡胶间存在显著极性差异，直接导致白炭黑在橡胶基体中分散不均，最终形成明显相分离结构，制约了复合材料性能提升。因此，亟需开发有效的界面相容性改性方法，实现环氧化天然橡胶/天然橡胶复合材料综合性能的优化。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2025.102356.
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心吴晓辉副教授、博士生李彦果等研究了白炭黑的界面预改性及双偶联结构的构建对环氧化天然橡胶/天然橡胶复合材料性能的影响及内在机理。相关成果以“Enhanced performance of bio-based epoxidized natural rubber nanocomposites in high-performance green tires via interface modification”为题发表在国际知名期刊《Composites Communications》。
在本工作中，制备了一系列预改性白炭黑增强的环氧化天然橡胶/天然橡胶/白炭黑复合材料和溶聚丁苯橡胶/天然橡胶/白炭黑复合材料。如图1所示，不同硅烷偶联剂通过化学键成功接枝到二氧化硅表面，显著降低了白炭黑的比表面积和表面硅羟基含量。与溶聚丁苯橡胶相比，由于环氧基和硅羟基之间的化学键合，环氧化天然橡胶/天然橡胶/白炭黑复合材料具有更好的填料分散性和动静态力学性能。运用原子力显微镜-纳米红外光谱技术，分析了不同改性方法下白炭黑在环氧化天然橡胶相和天然橡胶相中分散机制，发现与TESPD改性白炭黑相比，巯基改性白炭黑可以通过巯基、环氧基和硅羟基在环氧化天然橡胶和天然橡胶之间形成双偶联桥结构，显著匀化相分离状态，使复合材料具有最佳的综合性能。该工作得到了国家重点研发计划项目（2022YFB3704800, 2022YFB3704802, 2022YFB3704801）的支持。
图1 改性白炭黑的结构分析：(a) FT-IR光谱 (b)TGA(c) SSA-BET (d) 表面硅羟基含量测试
