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北京化工大学《AFM》:超低能耗、超高耐磨的双

汽车轮胎的主要组成部分是负载有纳米颗粒(NPs)的弹性聚合物链,其性能对车辆的安全运输至关重要。众所周知,聚合物链之间、聚合物链-NP之间以及NP-NP之间的摩擦会导致动态磁滞损耗。弹性体-NP复合材料会在轮胎定期旋转时耗散大量能量,从而导致过多的燃料消耗。据统计,该损耗占全球能源消耗的6%以上,约占二氧化碳排放总量的5%。研究表明,轮胎动态滞后损失只要降低10%,就能节省约2%的燃油消耗。因此,大力发展具有超低动态磁滞损耗的节能耐磨汽车轮胎是一项紧迫又严峻的任务。传统的一些方法,例如制造新型功能性丁苯橡胶和防止纳米颗粒添加剂在弹性体基质中聚集,是较难实现的。尽管引入NPs能显著提高弹性体-NP复合材料的耐磨性,但使得动态磁滞损耗变得更大。

北京化工大学刘军、张立群等设计了一种由硬和软弹性体基质自组装而成的新型橡胶纳米复合材料:具有两个羟基链端的聚丁二烯与4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯反应形成链段聚氨酯。该体系首先进行自组装,形成分布在软基质中的纳米级硬质区域。然后通过控制辐射方法完成软链段之间的交联,得到双网络弹性体(DN-E)。其在60C时显示出最低的损耗因子值,与早先报道的最佳商用轮胎相比,其耗能指数显著降低了72%,实现了88%的能量损失减少和85%的磨损损失减少。该研究为超低能耗和强耐磨性弹性体的设计和制造开辟了新的道路,为开发下一代绿色环保低污染轮胎树立了里程碑。该研究以题为“Self-Assembly Strategy for Double Network Elastomer Nanocomposites with Ultralow Energy Consumption and Ultrahigh Wear Resistance”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

作者根据图1中的实验方案成功合成了具有不同硬链段含量的羟基封端的聚丁二烯基聚氨酯(HTPB-PU),并通过FT-IR进行了证实(图2a)。随着控制硬链段含量的增加,氨基甲酸酯键的数量逐渐增加,而且硬链段域的平均粒径也显著增加。当将硬链段引入聚合物中时,更多的软链段受到限制,大分子进一步玻璃化,导致玻璃化转变温度的升高(图2c)。热重分析测试显示,在氮气条件下HTPB-PU的起始分解温度高于310C,并且其随硬链段含量的增加而增加,表明 该弹性体具有优异的热稳定性并且符合工业要求 。HTPB-PU的宏观粘弹性行为通过动态力学分析进行了评估(图2d),其出色的动态力学性能主要归因于独特的微相分离结构。在60C时,该弹性体的损耗因数(tanδ)值很低,这反映了其 在动态变形状态下的低滚动阻力和极低的能耗 。

辐照改性对制备超低滚动阻力材料具有重要意义。随着辐照剂量的增加,DN-E的网络结构得到改善(图3a)。随着交联剂量从0增加到500 kGy,软化温度从179升高到230C,这是因为 交联网络增强了DN-E的模量和硬度,并使其在高温下具有更好的高温抗形变性 。而DN-E在60C时的tanδ值从0.034降低到了0.013,这是因为软链段的交联导致了更好的协同运动,从而减少了大分子链之间的摩擦,使得滚动阻力进一步降低。为了清楚地反映DN-E在交变应力下的粘弹性响应,并更真实地模拟在道路上行驶时轮胎变形的状态,作者进行了高频和应变DMA测试(图3b)。随着辐照剂量从0增加到500 kGy,60C时的tanδ值从0.074显着降低到0.023,该结果表示滚动阻力的明显下降。将温度升高至125C,辐照剂量的增加导致DN-E的tanδ值从0.155下降至0.028,表明 辐照交联提高了DN-E的耐热性 。

为了进一步了解其微观结构对机械性能的影响,作者采用了经典的粗粒分子动力学模拟,探讨了自组装引起的微相分离程度对机械性能的影响。每个链的分子结构由三嵌段共聚物结构中的典型BAB组成(图4a)。显然,随着相分离程度的增加,BAB的自组装结构倾向于表现出更均匀分布的B嵌段聚集体。通过比较图4d和e中的应力-应变曲线和粘结方向,作者观察到 相分离导致了机械性能和链取向的增强 。研究表明软嵌段之间的交联将大大促进这一趋势。通过改变A嵌段之间的交联密度,每个嵌段的拉伸应力以及粘结方向将逐渐增加,从而提高机械性能。该仿真结果证实了 在软链段之间引入化学交联可以最大程度地提高机械性能 ,并且该结果可以指导其他高性能自组装聚合物材料的设计。

总结: 为了解决汽车轮胎循环应力和磨损造成的能源和环境危机难题,作者提出了一种新的DN-E设计策略,该体系基于羟基封端的聚丁二烯、对称异氰酸酯和多元醇,通过高分子自组装和辐照交联技术,制备出了具有出色动态机械性能和良好耐热性的DN-E。 该材料表现出了超低损耗因子和能量耗散,同时磨损损耗也降至最低,优于之前报道的其他结果 。该DN-E为开发下一代低能耗、环保型汽车轮胎提供了新的思路。

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