《Macromolecular Materials and Engineering》：Electron-Beam Irradiation of Ground Tire Rubber in Water for Surface Activation and Improved Recycling in Natural Rubber Compounds
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在本研究中，研究人员在水介质中对废旧轮胎橡胶（GTR）进行电子束辐照，并研究了其在天然橡胶（NR）基复合材料中的应用。研究人员使用索氏提取法（Soxhlet extraction）和溶胀试验表征了内部化学结构的变化。基于结果可以指出，溶胶含量（sol cont
在本研究中，研究人员在水介质中对废旧轮胎橡胶（GTR）进行电子束辐照，并研究了其在天然橡胶（NR）基复合材料中的应用。研究人员使用索氏提取法（Soxhlet extraction）和溶胀试验表征了内部化学结构的变化。基于结果可以指出，溶胶含量（sol content）和交联密度（crosslink density）均仅有轻微变化（1%–2%），表明电子辐照过程中赋予的能量主要被水的辐射分解所消耗。研究人员将辐照后的GTR用于NR基复合材料，并检测了其性能。与参比样相比，即使在吸收剂量为10 kGy时，硫化胶的拉伸强度增加了30%，断裂伸长率增加了28%。撕裂强度在40 kGy时达到最大值，较参比样增加了42%。基于动态力学性能可以得出结论：辐射处理增强了相间的粘附力，这通过Payne效应的降低得以证实。结果表明，先前利用伽马辐照开发的水辐射分解辅助表面活化概念可成功转移至电子束处理，为工业GTR回收提供了一条更快速且更具经济吸引力的途径。
废旧轮胎的大量堆积与不当处置已成为全球性环境难题。轮胎填埋会污染土壤和水体，并可能为病媒生物提供滋生地；堆积轮胎还存在难以扑灭的火灾风险。焚烧回收能量虽可减少体积，但会向环境释放污染物，且浪费了可回收的橡胶资源。热解则因投资和运行成本高、产物价值低而受到限制。因此，从循环经济角度出发，材料回收被认为是处理废旧轮胎最有前景的路线。废旧轮胎经破碎得到废旧轮胎橡胶（ground tire rubber, GTR），可加入热塑性塑料、橡胶或沥青等基体中，但GTR与基体间的界面粘附性差，导致复合材料力学性能不佳，难以用于高附加值领域。为改善界面结合，可采用脱硫或表面活化方法。化学表面活化虽能引入活性基团，但工艺放大困难且化学品处理带来环境负担。电离辐射技术可在聚合物表面引发氧化反应，成为一种新兴的回收辅助手段。研究人员前期已证明，在水介质中利用伽马辐照可借助水的辐射分解（water radiolysis）产生的强氧化性物种活化GTR表面，但伽马辐照需要较高剂量，经济性不佳。电子束具有更高的剂量率和连续处理能力，且水射流研磨GTR过程本身产生水性浆料，可直接衔接电子束辐照。因此，本研究旨在探索电子束在水介质中辐照GTR的可行性，并评估其在天然橡胶（natural rubber, NR）基复合材料中的应用效果。
研究人员使用Hungarojet Kft.公司水射流研磨自卡车轮胎胎面和胎侧得到的GTR（粒径主要分布在125–250 μm）。将25 g GTR分散于100 mL蒸馏水，加入表面活性剂以保证悬浮均匀，在连续搅拌和空气鼓泡条件下，采用4 MeV电子束（TESLA LINAC LPR-4）从上方辐照，吸收剂量为5–100 kGy，剂量率5.64 kGy/min。通过索氏提取法（Soxhlet extraction）和溶胀试验表征GTR的溶胶含量（sol content）与交联密度（crosslink density）；用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）观察GTR形貌。随后将辐照GTR与NR等混炼制备硫化胶，进行拉伸试验、撕裂试验、动态力学分析（dynamic mechanical analysis, DMA）及断裂表面SEM观察。
研究结果如下：
1. 溶胶含量与交联密度：索氏提取和溶胀测试表明，各辐照剂量下GTR的溶胶含量仅比未处理参比增加1–2个百分点，交联密度几乎不变，统计检验无显著差异。这说明电子束在水介质中辐照未明显降解GTR本体结构，能量主要消耗于水的辐射分解，有利于实现表面活化。
2. 表面形貌：SEM显示，辐照前后GTR颗粒均保持水射流研磨特有的多孔复杂表面，未发现颗粒破碎、表面侵蚀或团聚，表明后续硫化胶性能的变化归因于表面活化而非形态改变。
3. 拉伸强度（tensile strength）：拉伸试验显示，辐照GTR的硫化胶拉伸强度从5 kGy起即提高，10 kGy时达到最大，较参比提高30%，且具有统计显著性；高于40 kGy后强度回落，100 kGy时接近参比。这表明存在最佳表面活化程度，过高剂量可能因界面结合过强而限制变形协调。
4. 断裂伸长率（elongation at break）：所有样品的断裂伸长率均保持较高水平，10 kGy样品较参比提高28%，其余样品与参比差异不大，说明强度提高未以牺牲变形能力为代价。
5. 撕裂强度（tear strength）：撕裂强度随吸收剂量增大而提高，40 kGy时较参比增加42%，统计显著。撕裂强度反映抵抗裂纹扩展的能力，其提高表明辐射处理增强了GTR与NR基体间的界面粘附，使裂纹难以沿界面扩展。
6. 动态力学性能与Payne效应（Payne effect）：DMA测试中，辐照样品的归一化储能模量在较高应变下高于参比；相对Payne效应值均低于参比的67.2%，其中40 kGy样品最低（59.3%）。这说明辐射处理增强了界面相互作用，即使在大变形条件下界面仍能有效传递载荷。
7. 断裂表面形貌：撕裂试验后的SEM观察显示，参比样品的断裂表面存在裸露的GTR颗粒和空腔，而40 kGy样品表面更均匀，裸露颗粒和空腔明显减少，与力学性能及DMA结果一致。
讨论部分指出，拉伸性能的最佳剂量（10 kGy）与撕裂性能的最佳剂量（40 kGy）不同，原因在于两种性能的破坏机制不同：拉伸需要有效的应力传递并保持界面变形能力，而撕裂主要受裂纹扩展阻力控制，更强的界面粘附对抗撕裂更有利。过高剂量可能导致界面结合过强，限制GTR与基体间的变形协调，产生应力集中，从而使拉伸强度下降。
研究结论可翻译如下：在本研究中，研究人员采用创新的水介质电子束处理废旧GTR，并研究了其在NR基化合物中的应用。通过索氏提取和溶胀测试表征内部化学结构变化，发现溶胶含量仅轻微增加（1%–2%），交联密度变化很小，SEM确认形貌未变，说明电子束赋予的能量主要被水的辐射分解所消耗，而非改变GTR内部结构；利用水辐射分解产生的强氧化剂活化GTR表面的目标成功实现。将处理后的GTR加入NR基化合物并制备硫化胶后，拉伸试验显示，10 kGy剂量下拉伸强度提高30%，断裂伸长率提高28%；撕裂强度在40 kGy时提高42%。DMA结果表明，辐射处理降低了Payne效应，相间形成了更强的粘附，且在大变形下未破坏。总之，水介质中电子束辐照促进了GTR表面活化，并改善了GTR与NR基体间的相互作用；在仅10 kGy的低吸收剂量下即可获得理想的拉伸性能改进。该结果证明，先前基于伽马辐照的水辐射分解辅助表面活化概念可成功转移至电子束处理。由于电子束处理更快且可能更具成本效益，该方法为工业规模GTR回收提供了一条有前景的途径，有望扩大含再生橡胶材料的应用范围，从而减少环境中的聚合物废物。
