应变作用下环氧化天然橡胶微观结构演化及其非线性力学行为的响应关系

Natural rubber (NR) is the preferred material for current high-performance rubber produces due to its unique strain-induced crystallization (SIC) property. Appropriate epoxidation can unexpectedly enhance the SIC of NR, resulting in the improvement of mechanical properties. Different epoxidation degree and crosslinking system affect the SIC behavior of epoxidized natural rubber (ENR), and then determine its macroscopic mechanical properties. However, because of the limitation of the epoxidation degree range of commercial ENR and the complex microstructure characteristics of ENR under strain, it is still impossible to determine the optimal epoxidation degree and the crosslinking system, and to establish the relationship between the microstructure and the macroscopic nonlinear mechanical properties. Therefore, in this project, X-ray diffraction, polarized infrared and advanced atomic force microscope technologies will be used in combination to characterize the microstructure evolution of ENR with different epoxidation and cross-linking systems. The obtained microstructure information can provide microstructure geometry model and material parameters for the meso-mechanical analysis. By using meso-mechanical analysis method, the relationship between microstructural evolution and nonlinear mechanical behavior can be established. It is of great significance in engineering and science to determine the best epoxidation degree and crosslinking system, and obtain rubber products with higher mechanical properties.

天然橡胶（NR）独特的应变诱导结晶性能赋予其高强度的特性，是目前发展高性能橡胶材料的首选材料。通过对NR进行适当的环氧化作用，可以促进应变诱导结晶的发生，带来比NR更优异的力学性能。不同的环氧化程度和交联体系通过影响环氧化天然橡胶（ENR）的应变诱导结晶行为，进而影响其宏观力学性能。但受限于市售ENR的环氧化程度范围，及应变作用下ENR的复杂微观结构特性，目前仍无法确定最佳的环氧化程度及交联体系，建立微观结构与宏观非线性力学性能的联系。基于此，本项目将结合X射线衍射、偏振红外以及先进的原子力显微镜技术，多尺度表征不同环氧化程度和交联体系的ENR，在应变作用下微观结构的演变，并以得到的微观结构信息为基础，为细观力学分析提供微观结构几何模型和材料参数，通过细观力学分析建立结构演化与非线性力学行为的响应关系。进而确定最佳的环氧化程度和交联体系，得到力学性能更高的橡胶材料，具有重要的工程和科学意义。

适当的环氧化改性可以促进天然橡胶（NR）应变诱导结晶（SIC）的发生，带来更优异的力学性能，但受限于市售产品的环氧化程度范围，及应变作用下环氧化天然橡胶（ENR）的复杂微观结构特性，目前仍无法确定最佳的环氧化程度及交联体系，建立微观结构与宏观非线性力学性能的联系。本项目采用原位法制备了环氧化程度分别为5%，10%，20%，33%，45%的一系列ENR，并以硫磺（S），过氧化二异丙苯（DCP）及多种二酸（包括马来酸，丁二酸，衣康酸，癸二酸）为交联剂制备得到了ENR硫化胶。结合X射线衍射、偏振红外以及先进的原子力显微镜（AFM）技术，揭示了应变作用下不同环氧化程度及交联体系对ENR微观结构演变及宏观力学性能的影响规律。研究结果表明：适量的环氧化程度（低于20%）可以促进分子链取向，环氧基团可作为缺陷排入晶格中，对NR的SIC有促进作用，环氧化程度为10%时，ENR具有最优异的力学性能。在不同二酸交联的ENR中，衣康酸（IA）体系展现了最优异的力学性能。通过对比交联密度相近的ENR-S、ENR-DCP及ENR-IA发现，低应变下，DCP和IA体系中相对刚性的交联网络使分子链更容易发生取向，因此ENR-10-DCP和ENR-10-IA具有相似且高于ENR-10-S的定伸应力；而S体系中相对柔顺的交联网络和多硫交联键的断裂重组使ENR-10-S具有较ENR-10-DCP和ENR-10-IA更高的伸长率和结晶度，因此ENR-10-S宏观上具有更高的拉伸强度，断裂伸长率和断裂韧性。此外，以AFM模量图为有限元模拟的微观结构几何模型和材料参数，通过细观力学理论模拟得到了ENR拉伸过程中的局部应力和应变分布及其演变规律，实现了以有限元模拟为桥梁的微观结构与宏观非线性力学性能响应关系的建立。在本项目的支持下，共发表科研论文3篇，培养1名博士研究生和2名硕士研究生。