原位生成有机-无机杂化网络协同增强HNBR界面键合机制及力学性能研究

针对氢化丁腈橡胶（HNBR）在极端工况下力学性能不足的问题，研究人员通过原位反应生成山梨酸锌（ZDS）与炭黑（CB）构建杂化网络，显著提升了HNBR的拉伸强度（37.6 MPa）、断裂伸长率和抗撕裂性。该研究为高性能橡胶材料设计提供了新策略，成果发表于《Polymer》。

　　

氢化丁腈橡胶（HNBR）因其优异的耐热性、耐油性和机械性能，广泛应用于汽车、石油开采和航空航天等领域。然而，在高温、高压和复杂化学介质等极端条件下，其力学性能和耐久性仍面临严峻挑战。传统增强技术如炭黑（CB）和二氧化硅填充虽能部分改善性能，但往往以牺牲弹性为代价。近年来，有机-无机杂化增强体系成为研究热点，其中不饱和羧酸金属盐（如甲基丙烯酸锌，ZDMA）因其独特的离子键合和纳米级网络形成能力备受关注。然而，ZDMA存在加工困难、环境污染等问题。为此，上海赞南科技有限公司等机构的研究人员创新性地采用生物质衍生的山梨酸（SA）替代传统羧酸，通过原位反应生成山梨酸锌（ZDS）并与CB协同增强HNBR，相关成果发表于《Polymer》。

研究团队采用差示扫描量热法（DSC）分析SA/过氧化二异丙苯（DCP）和ZDS/DCP体系的热行为，结合动态机械分析（DMA）、扫描电镜（SEM）和力学性能测试系统表征材料性能。通过优化ZDS与CB比例，构建了界面键合强化的杂化网络结构。

材料与方法
研究选用HNBR（ZN35158）为基体，通过SA与氧化锌（ZnO）原位反应生成ZDS，并与高耐磨炉黑（N330）共混。采用DCP引发交联，通过DSC确定反应温度窗口，利用SEM观察填料分散性，DMA评估动态力学性能，拉伸和撕裂实验量化机械强度。

结果与讨论

1. ZDS原位生成机制：DSC显示SA在133.4°C熔融后发生自由基聚合，ZnO的加入促使ZDS在橡胶基质中形成纳米级聚集体（20-30 nm），显著提升交联密度。
2. 协同增强效应：ZDS/CB杂化网络使HNBR拉伸强度达37.6 MPa，较单一填料体系提高50%以上，断裂伸长率同步提升。SEM证实ZDS改善CB分散性，减少应力集中。
3. 动态性能优化：DMA表明ZDS引入使玻璃化转变温度（T_g
   ）升高，储能模量提升，证实杂化网络有效抑制分子链松弛。

结论
该研究通过原位构建ZDS/CB杂化网络，实现了HNBR力学性能与弹性的协同优化。ZDS的离子键合与CB的物理吸附形成多尺度增强机制，其环境友好特性更利于工业化应用。成果为高性能橡胶在苛刻环境下的设计提供了理论依据和技术路径。