机械与热循环下天然/废胶共混物的形变失效机制：同步辐射原位研究揭示应变诱导结晶的增强效应

这篇研究通过同步辐射广角X射线衍射（WAXD）原位技术，系统揭示了废轮胎胶粉（GTR）掺入天然橡胶（NR）后对应变诱导结晶（SIC）的促进作用：GTR降低了结晶起始应变（λc），提升力学增强效果，同时通过成核效应延缓高应力/高温下的失效。研究首次阐明了NR/GTR界面脱粘和空穴生长导致的断裂机制，为开发高性能可持续橡胶复合材料提供了理论依据。

　　

1 引言

随着对聚合物回收需求的增长，废轮胎胶粉（GTR）与天然橡胶（NR）共混成为可持续材料开发的热点。NR因优异的疲劳性能和应变诱导结晶（SIC）能力成为理想基体，其正交晶系结构（空间群Pbca，晶胞参数a=12.54?, b=9.04?, c=8.29?）在拉伸时形成纳米级晶体（约100×100×100 nm³）。GTR的加入通过局部应变放大效应促进SIC，但界面相容性仍是关键挑战。

2 材料与方法

2.1 材料制备

NR（SMR CV60）与粒径<125μm的GTR（含60wt%橡胶和40wt%炭黑）通过密炼机混合，以过氧化二异丙苯（DCP）为硫化剂，170°C热压成型。2.2 溶胀实验采用Flory-Rehner方程和Kraus修正计算网络链密度，发现GTR含量从10wt%增至40wt%时，链密度先降后升（图1a）。2.3 同步辐射WAXD在ALBA光源BL11线站进行，结合拉伸-加热联用装置，通过Lorentzian函数拟合(200)、(002)、(120)晶面衍射峰，计算结晶度指数（CI）和晶粒尺寸（Scherrer方程，K=0.64）。

3 结果与讨论

3.1 单轴拉伸行为

Mooney-Rivlin模型显示GTR提升低应变模量（图1c），NR/GTR40的结晶起始应变λ_c比纯NR降低近100%（图2d）。WAXD证实SIC晶体尺寸L₀₀₂随拉伸先减小后稳定（图3b-c），且机械强化滞后于结晶约20%-30%，符合Flory理论。

3.2 循环加载响应

GTR含量增至33wt%时，滞后能线性增加（图4b），归因于界面脱粘和空穴化。应变完全熔化点λ_m随GTR降低（图5b），表明晶体稳定性增强，但超应变效应因损伤机制而减弱（图6f）。

3.3 热-力耦合断裂

300%应变下加热时，NR/GTR40的断裂温度比NR/GTR10高15°C（图7d）。SEM显示断裂源于GTR/NR界面脱粘（图8a-d），而SIC晶体（临界CI=1%-2%）通过阻碍裂纹扩展提升耐热性。

4 结论

GTR通过促进SIC显著改善NR的力学性能，但界面缺陷限制其应用。未来需通过表面改性优化界面粘附，推动该材料在汽车、建材等领域的可持续发展。

（注：全文数据均源自原文图表，未添加主观推断；专业术语如SIC、WAXD等均按原文缩写标注；数学符号如λ_c、L₀₀₂等严格保留原文格式。）