亚/超临界二氧化碳交变作用下硫化橡胶力学性能及机制研究

The mechanical properties of vulcanized rubber play a decisive role in the grinding process at low temperature. The present studies are confined to the optimization in grinding process, but seldom focused on the mechanical properties. In this project, the alternating flow field of sub- and supercritical CO2 will be adopted to modify the vulcanized rubber, the swelling law and phase equilibrium of different kinds of rubbers in sub- and supercritical CO2 will be analyzed. And then, the quantitative relationship between the microcosmic chemical structure and the mesoscopic structure morphology in rubbers and their mechanical properties will be investigated. Through the above experimental and model calculation, the purpose which is the mechanical properties of vulcanized rubber can be controlled by the alternating flow field of sub- and supercritical CO2 will be achieved. It has important practical and scientific significance for breaking the bottleneck of grinding process at low temperature and preparing the ultra-fine rubber powder over 200 mesh.

硫化橡胶的力学性能对其低温粉碎过程起着决定性作用，而目前的研究局限于对粉碎工艺的优化，对橡胶力学性能改性的研究较少。本项目拟采用亚/超临界CO2交变流场改性硫化橡胶，分析不同种类橡胶在亚/超临界CO2中的溶胀规律以及相平衡机制，进而揭示交变作用下橡胶内部微观化学结构和细观组织形貌与力学性能之间的定量关系。通过以上实验及模型计算研究，实现以亚/超临界CO2交变流场调控硫化橡胶低温力学性能的目的，这对于突破低温粉碎工艺的瓶颈，制备粒度200目以上的超微细胶粉，具有重要的现实与科学意义。

探索和开发废旧橡胶循环的新原理与新技术，不断提高循环过程的经济性和循环产物的附加值，是缓解当前日益严峻固废污染问题的重要措施。废旧轮胎循环后得到的超微细胶粉具有广泛的应用价值和广阔的发展前景，在硫化橡胶粉碎过程中，由于废旧橡胶具有交联体型结构，如何克服橡胶大分子的高弹性和交联结构体的高强度是实现其精细粉碎处理的关键。本项目采用亚/超临界CO2溶胀硫化橡胶，系统研究了溶胀条件与溶胀过程的关系以及相平衡机制，以此为基础，研究了溶胀后橡胶的低温粉碎特性。具体研究结果包括：（1）通过可视窗反应釜，观察天然橡胶和丁苯橡胶在超临界CO2中的溶胀过程，采用析因实验设计，获得了影响橡胶溶胀度、溶胀速率以及CO2扩散系数的参数规律，并提出了相应的溶胀机理；（2） 在相同的泄压条件下制备不同交联密度的发泡橡胶，交联密度越大，发泡后橡胶尺寸越小，丁苯橡胶的发泡倍率和收缩速率均高于天然橡胶，但交联密度对于同种橡胶的收缩速率并无显著影响；（3）采用超临界乙醇和水对硫化橡胶进行脱硫处理，脱硫后橡胶均保留大分子结构。超临界CO2和乙醇脱硫后橡胶交联密度降低，而超临界水中脱硫后交联密度反而增大；（4）溶胀脱硫橡胶低温力学性能显著下降，以此为基础进行低温气流粉碎实验，系统研究了脱硫溶胀程度与橡胶低温粉碎后粒径的关系，验证了脱硫溶胀处理对橡胶低温粉碎的促进作用，并揭示了其对粉碎机理的影响。本项目完成了预期研究内容，所获得的结果可为超临界CO2技术在硫化橡胶的溶胀、超临界流体技术在废旧橡胶轮胎的脱硫循环利用以及超微细胶粉的制备等领域的发展提供理论依据与技术支持。