氢化与异氰酸酯化聚丁二烯液体橡胶的合成及在节能轮胎中的性能研究

为解决轮胎材料中高湿抓地力与低滚动阻力难以兼顾的行业难题，中国科学院团队设计合成末端异氰酸酯化聚丁二烯液体橡胶（ITPB/HITPB），通过构建多重交联网络使材料湿滑阻力（tanδ@0°C=0.472）提升11.6%、滚动阻力（tanδ@60°C=0.0862）降低4.7%，同时提升力学性能，为绿色轮胎开发提供新策略。

　　

随着全球汽车保有量激增，轮胎能耗问题日益凸显。国际能源署数据显示，交通运输消耗全球25%的初级能源，而轮胎滚动阻力最高可贡献23%的燃油消耗。更棘手的是，新能源汽车电池组重量比传统汽车增加20-24%，对轮胎性能提出更高要求。传统解决方案往往陷入"跷跷板困境"——降低滚动阻力会导致湿抓地力下降，而提升安全性又增加能耗。这一矛盾的核心在于橡胶材料中90%的能耗源于填料（如SiO₂）与聚合物链的摩擦损耗，以及链端自由运动导致的滞后损失。

中国科学院的研究团队另辟蹊径，从分子设计角度提出创新方案。他们以羟基封端聚丁二烯（HTPB）为原料，通过异氰酸酯化反应合成末端含NCO基团的液体橡胶（ITPB），并进一步开发出40%氢化（40%HITPB）和完全氢化（100%HITPB）变体。这些材料在轮胎配方中替代传统芳香油（V700），与橡胶基质（RUB）和SiO_{2>形成独特的"三位一体"交联网络：异氰酸酯基团与SiO2表面羟基共价结合，未氢化的C=C双键参与橡胶硫化交联，而氢化链段则通过相似相容性改善分散。这种多层级相互作用成功打破了性能平衡的魔咒。}

研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证材料结构，通过核磁共振氢谱（¹H NMR）定量氢化度，并利用动态机械分析（DMA）评估性能。橡胶加工分析仪（RPA）和拉伸测试分别表征加工性能和力学强度。

结构表征显示ITPB的NCO特征峰出现在2270 cm^-1，氢化后C=C特征峰（965 cm^-1）逐渐减弱。40%HITPB的氢化度通过¹H NMR计算为38.7%，与设计值高度吻合。

动态力学性能测试揭示关键突破：ITPB/RUB复合材料的0°C tanδ值（0.472）比V700对照组（0.423）提升11.6%，表明湿抓地力显著增强；60°C tanδ值（0.0862）较对照组（0.0905）降低4.7%，证明滚动阻力改善。40%HITPB表现尤为突出，其储能模量（G'）比纯RUB提高15%，说明交联网络有效抑制了填料聚集。

力学性能方面，ITPB系列材料拉伸强度达18.7 MPa，比V700体系提升12%，断裂伸长率保持在450%以上。100%HITPB因完全氢化失去硫化活性，性能反而下降，证实适度氢化的重要性。

这项研究的意义在于三方面突破：首先，首次阐明部分氢化聚丁二烯（40%HITPB）在轮胎应用中的特殊价值，其"半饱和"结构既能保持硫化活性又可改善相容性；其次，开创性地利用NCO-SiO₂共价键固定填料，结合C=C硫化交联构建双重网络；最后，为节能轮胎提供可量产的解决方案——氢化度可按需调节，适用于天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）等多种体系。

Wei Dong等人在《Polymer》发表的这项工作，不仅解决了轮胎工业的"性能悖论"，更开辟了功能化液体橡胶设计的新范式。正如研究者指出，这种策略可延伸至乙丙橡胶（EPM）等饱和橡胶体系，其环保工艺（避免硅烷偶联剂挥发性有机物排放）也契合双碳目标。未来通过调控氢化度与分子量分布，有望实现更精准的性能定制，推动轮胎材料进入"分子工程"时代。