Hợp chất cao su tái chế: Công nghệ liên kết Rheo-NMR tiết lộ sự khuếch tán lưu huỳnh và thay đổi mật độ liên kết chéo

Bối cảnh và mục đích nghiên cứu

Cao su tái chế (Ground Rubber, GR) Là chất độn bền vững trong các hợp chất cao su, tác động của lượng chất độn lên tính chất kỹ thuật của vật liệu luôn là trọng tâm của lĩnh vực tái chế cao su. Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Journal of Applied Polymer Science, sử dụng thiết bị Rheo-NMR kết hợp độc đáo, đã kiểm tra một cách có hệ thống ảnh hưởng của lượng GR điền vào các tính chất của các hợp chất cao su. Nghiên cứu không chỉ tập trung vào việc điều chỉnh hiệu suất kỹ thuật của GR như một thành phần bền vững, mà còn phân tích sâu về cơ chế khuếch tán lưu huỳnh và thay đổi mật độ liên kết chéo đằng sau nó. Trong nghiên cứu, ma trận cao su và GR tự chế được chuẩn bị bằng cao su SBR và cao su tự nhiên (NR), tương ứng. Thiết bị Rheo-NMR kết hợp được sử dụng để định lượng hai hiệu ứng chính: hành vi lưu biến của hệ thống trộn nhũ tương được hình thành bởi các hạt GR trong ma trận cao su và lưu hóa thêm các hạt GR do sự khuếch tán lưu huỳnh. Thông qua thiết bị này, các nhà nghiên cứu có thể thu thập cả thông tin lưu biến và dữ liệu mật độ liên kết ngang (CLD). Các phát hiện và dữ liệu chính Các nghiên cứu đã tiết lộ một cơ chế quan trọng: lưu huỳnh tự do trong ma trận cao su khuếch tán vào bên trong các hạt GR, một quá trình trực tiếp làm thay đổi mật độ liên kết chéo trong ma trận và các hạt GR. Kết quả NMR cho thấy mật độ liên kết chéo của các hạt GR tăng 100% đối với hệ thống NR; Trong hệ thống SBR, mật độ liên kết chéo của các hạt GR giảm khoảng 13%. Sự khác biệt này cho thấy các loại cao su ma trận có ảnh hưởng đáng kể đến hướng khuếch tán lưu huỳnh và sự phát triển mật độ liên kết chéo. Về hành vi lưu biến, các hạt GR tạo thành một cấu trúc hỗn hợp giống nhũ tương trong ma trận cao su và các đặc tính lưu biến của chúng có thể được mô tả bằng mô hình nhũ tương thích hợp. Trong số này, độ lệch dự đoán của mô hình Palierne so với dữ liệu thực nghiệm trong vòng 15%, cho thấy mô hình này có thể mô tả tốt hơn hành vi lưu biến của các hợp chất cao su chứa đầy GR.

Ý nghĩa đối với ngành công nghiệp phụ trợ polymer

Nghiên cứu này có nhiều gợi ý cho ngành công nghiệp phụ trợ cao su, đặc biệt là thiết kế công thức và tối ưu hóa quy trình tái chế trong lĩnh vực lốp xe và cao su. Trước hết, hiện tượng lưu huỳnh tự do khuếch tán từ ma trận sang các hạt GR trong thiết kế của hệ thống lưu hóa, có nghĩa là trong các công thức có chứa keo tái chế, lượng lưu huỳnh vàng và máy gia tốc cần được cân bằng lại. Nếu được thiết kế theo công thức truyền thống, hàm lượng lưu huỳnh hiệu quả trong ma trận có thể bị giảm do di chuyển đến các hạt GR, dẫn đến mật độ liên kết chéo không đủ của ma trận; Đồng thời, mật độ liên kết chéo bên trong của các hạt GR tăng quá mức, có thể làm cho chúng cứng và giòn, ảnh hưởng đến tính chất cơ học động của sản phẩm cuối cùng. Đối với ma trận NR, dữ liệu về sự gia tăng 100% mật độ liên kết chéo của các hạt GR là mối quan tâm đặc biệt, gợi ý rằng việc phân phối lại mật độ liên kết chéo hai pha của khuếch tán lưu huỳnh nên được xem xét đầy đủ trong hệ thống trộn NR/GR. Thứ hai, liên kết giao diện của GR với ma trận và hành vi khuếch tán lưu huỳnh ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình trộn và lưu hóa khi GR được sử dụng như một chất độn bền vững để thay thế một phần carbon đen hoặc trắng trong việc bổ sung Mô hình Palierne có khả năng dự đoán hành vi lưu biến với độ lệch trong vòng 15%, cung cấp cho các kỹ sư công thức một công cụ có thể định lượng để ước tính hiệu suất xử lý ở các khối lượng GR khác nhau, do đó giảm chi phí thử và sai. Thứ ba, trongcao su lão hóa và thời tiếthiệu suất, sự thay đổi mật độ liên kết chéo sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lão hóa oxy chịu nhiệt và tuổi thọ mỏi động của các hợp chất cao su. Sự thay đổi đáng kể mật độ liên kết chéo của các hạt GR có thể là một trong những nguồn gây ra sự biến động về hiệu suất lão hóa, vì vậy sự không đồng đều về mật độ liên kết chéo do GR giới thiệu cần được xem xét khi lựa chọn và liều lượng tối ưu hóa cho các chất chống lão hóavàchất chống oxy hóa. Cuối cùng, nghiên cứu này có giá trị trực tiếp trong lĩnh vựccải tạo và tái chế lốp xe. GR là một thành phần bền vững, tối ưu hóa lượng điền của nó và điều chỉnh khuếch tán lưu huỳnh là chìa khóa để đạt được chất liệu keo tái chế chất lượng cao. Nghiên cứu lần đầu tiên báo cáo xu hướng thay đổi ngược lại về mật độ liên kết chéo của các hạt GR trong NR và SBR, một phát hiện trước đây chưa từng được bao phủ trong tài liệu, cung cấp một cơ sở khoa học mới cho thiết kế tinh tế của quy trình tái chế cao su. Nhìn chung, nghiên cứu, thông qua việc sử dụng kết hợp công nghệ Rheo-NMR, đã tiết lộ định lượng quy luật phát triển mật độ liên kết ngang được thúc đẩy bởi sự khuếch tán lưu huỳnh trong các hợp chất cao su chứa GR và xác minh sự phù hợp của mô hình Palierne trong việc mô tả hành vi lưu biến của nó. Đối với ngành công nghiệp phụ trợ polymer, điều này có nghĩa là trong lốp xe và công thức cao su có chứa keo tái chế, việc thiết kế hệ thống lưu hóa, chất độn bổ sung và chất chống lão hóa đòi hỏi phải chuyển từ tư duy “một pha” sang tư duy “phân phối lưu huỳnh đa pha” để đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và tính bền vững.