可持续热塑性弹性体增强橡胶复合材料裂纹萌生与扩展的机理分析

为解决橡胶回收难题并延长传统橡胶生命周期，研究人员开展SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）热塑性弹性体（TPE）对二氧化硅增强NR（天然橡胶）和SBR（丁苯橡胶）裂纹扩展行为影响的研究。通过裂纹增长分析（如裤型撕裂、疲劳抗裂性）及形态学与非线性粘弹性测试，发现20 phr（每百份橡胶）SBS可显著提升NR的疲劳抗性（10万次动态加载无损伤），而SBR在40 phr SBS时性能最佳。该研究为可持续工程材料优化提供新思路。

　　

每年全球废弃的橡胶材料高达数百万吨，传统橡胶的不可回收性加剧了资源浪费和环境污染。尽管热塑性弹性体（TPE）因其可回收性被视为潜在替代品，但其完全替代传统橡胶可能破坏材料性能平衡。如何通过部分替代实现性能优化，尤其是提升橡胶的裂纹抗性，成为材料科学领域的紧迫课题。在此背景下，研究人员聚焦苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）TPE对二氧化硅（SiO₂）增强天然橡胶（NR）和丁苯橡胶（SBR）复合材料的影响，探索其裂纹萌生与扩展的机理。

为回答上述问题，研究人员通过裤型撕裂测试（ASTM D624）、疲劳弯曲裂纹测试（ASTM D430）和动态机械热分析（DMTA）等技术，系统评估了不同SBS含量（0、20、40 phr）下复合材料的静态/动态裂纹行为、粘弹性及微观结构。研究采用双阶混炼工艺，通过Banbury密炼机和开炼机制备样品，并利用扫描电镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDAX）分析填料分散性。

3.1 TPE对常规力学性能的影响
应力-应变测试表明，SBS的加入对SBR和NR的弹性行为影响较小，而SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）会显著降低断裂伸长率。硬度测试显示，SBR/SBS40的硬度提升75%，而NR/SBS20因二氧化硅分散改善表现出更均衡的性能。

3.1.1 裂纹扩展抗性：裤型撕裂
SBR/SBS40的撕裂力从30.5 N提升至53.46 N，归因于SBS诱导的“结节型撕裂”模式（宏观裂纹偏转）。NR/SBS20保留了应变诱导结晶的“结节型撕裂”特性，但40 phr SBS会破坏结晶机制，导致抗裂性下降。

3.2 疲劳抗裂性与形态学分析
NR/SBS20在10万次动态加载后仍无损伤，远超NR的5.7万次。EDAX证实其二氧化硅分散更均匀，而SBR/SBS40因相分离导致分散性差，疲劳寿命波动大。

3.3 线性粘弹性行为
DMTA显示，SBS降低SBR的tan δ峰值（抑制分子运动），而NR/SBS20因苯环极性增强填料-橡胶相互作用，玻璃化转变温度（T_g）小幅上升。

3.4 非线性粘弹性：Payne效应
Payne效应分析表明，SBS通过改善二氧化硅分散性降低NR的储能模量，而SBR因SBS的 stiffening效应模量升高。

研究结论指出，SBS在SBR中通过高损耗特性和宏观裂纹偏转提升抗裂性，而NR的优异性能依赖于低剂量SBS（20 phr）优化的填料分散和应变结晶协同效应。该成果发表于《Results in Engineering》，为可持续橡胶材料的开发提供了关键理论依据，尤其在轮胎、柔性电子等工程领域具有应用潜力。