机械力化学改性废胶粉及其并用胶自由基活化状态分析与性能研究

Waste rubber powders(WRP) have gotten more and more attentions for it is one of the most important routes to recycling the scrapped rubber, however, the properties of WRP products can not overtake those of the conventional rubber products. The modification of WRP is extremely necessary for improving the properties of the WRP products and make WRP as a new rubber resource. Mechano-chemical modification is one of the most potential ways. However, the complexities of the processing techniques and the insufficient theoretical analysis of radical groups in WRP and their blends together constrain the development of mechano-chemical modifying and blending techniques. In this proposal, focusing on the radical groups in mechano-chemical modified WRP and their blends, the quantitative method for WRP mainly based on the electron paramagnetic resonance to analyze the radical group activation states including their existing forms, concentrations and life-spans will be developed, and then the radical groups' states in varied processing conditions will be systemically investigated to control the radical groups' activation states by designing and adjusting the processing conditions. Furthermore, the relationships between the radical groups' activation states and the final products' microstructures as well as properties will be studied. Based on these, the new technique for recycling WRP with high efficiency and performances will be explored. All the results and fruits may provide the stable foundations for recycling waste rubber in a environment-friendly way.

作为废旧橡胶轮胎循环利用的重要途径之一，胶粉再生技术因其绿色环保而受到日益广泛的重视，但其制品性能仍难与传统橡胶制品媲美。为提升胶粉橡胶制品性能，使胶粉可作为橡胶原料得到应用，势必需对胶粉进行有效的改性，其中机械力化学改性技术极具前途。但因工艺复杂，缺乏对胶粉改性及并用过程中自由基活化状态和结构演变的理论认识，极大地限制了机械力化学改性胶粉及并用工艺的设计开发。本项目拟以改性胶粉及其并用胶的自由基为研究对象，建立针对胶粉体系，以电子顺磁共振为主要手段分析自由基活化状态（包括自由基种类、含量及寿命）的可靠方法，在此基础上，研究不同机械力化学改性工艺条件下胶粉与并用胶中自由基活化状态，确立利用加工工艺调控自由基活化状态的有效方法，建立改性胶粉及并用胶自由基活化状态与胶粉橡胶制品亚微观结构和性能之间的关系，并探索胶粉高性能回收利用的新工艺，为实现废弃橡胶胶粉化绿色循环利用奠定坚实的应用理论基础。

胶粉再生技术作为废旧轮胎循环利用的重要途径之一，受到广泛重视。然而由于胶粉及其并用胶制品的性能仍难以与传统橡胶媲美，且其性能稳定性难以考量，使之应用一直难以扩大。开发可靠的胶粉改性与并用技术并解决胶粉改性和并用化过程的理论问题至关重要。为此，本项目着力于机械力化学胶粉过程中相关关键物理化学问题，建立了以顺磁电子共振为主的探究胶粉改性与并用过程中自由基状态的方法，在此基础上，研究了双辊开炼与螺杆挤出改性胶粉中自由基变化与工艺参数条件之间的关系，确定了改性过程自由基状态、并用胶微结构与力学性能之间的关系，得到主要结论包括：1）胶粉经双辊开炼机械力化学改性，破坏了胶粉交联结构，伴随之活性自由基产生；促进剂加入促进了网络结构的打开，有利于并用胶二次硫化成型中均匀网络结构的形成，胶粉与橡胶之间链相互作用力提高，并用胶 “海”与“岛”结构逐渐融合，并用硫化胶中胶粉与橡胶界面相容性大大改善，并用胶力学性能逐步提升；2）基于有限元分析，设计适用于胶粉挤出改性的双螺杆设备，进而实施挤出改性研究：提高双螺杆转速、减小转速比以及提高挤出温度增强双螺杆挤出剪切作用，有效地促进胶粉网络结构中分子链断键打开，实现活化；随着剪切作用的增强，胶粉交联密度逐渐降低，自由基浓度先上升，后降低；经改性的胶粉颗粒尺寸明显减小，与基体胶结合变好；并用胶玻璃化转变温度升高，微区模量分布趋于均匀，“海-岛”结构两相界面过渡区变窄；3）适当改性剂大大改善机械力化学过程对胶粉的活化效果，所得改性胶粉在高填充量条件下保持较好的力学性能；基于硫醇结构，设计出了新型的胶粉挤出改性剂，大幅度降低胶粉挤出改性过程的加工温度，避免改性过程胶粉过度降解与助剂挥发，有利于工业应用。本项目紧扣计划展开，完成了预期目标，为机械力化学改性胶粉与并用化工艺设计及并用胶制品性能可靠性评价提供了理论依据，并对废弃橡胶胶粉化绿色循环利用起到积极推动作用。