2种受阻酚类防老剂对天然橡胶热氧老化防护效果多尺度分子模拟及实验研究

引入多尺度分子模拟技术对比研究了2种受阻酚类防老剂2,2'-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(防老剂2246)与防老剂2,2'-亚甲基双(4-乙基-6-叔丁基苯酚)(防老剂425)对天然橡胶(natural rubber,NR)的热氧老化防护效果。量子力学模拟(QM)结果表明,2种防老剂的O-H键解离反应自由能(ΔG)均低于NR的C-H键ΔG,且防老剂425在其解离位置h处的O-H键ΔG最低,为250.08 kcal/mol,搜索2种防老剂或NR与过氧自由基CH_(3)OO·的反应过渡态,发现防老剂425的过渡态能垒(E_(barrier))最低,为5.31 kcal/mol,证明其能更快速地捕获过氧自由基,有效延缓NR分子链的氧化反应,表明了其防老剂化学反应防护机制。分子动力学(MD)模拟结果表明,防老剂425与NR之间的溶解度参数(δ)更接近,扩散系数(D)更低,即防老剂425与NR分子链更易相容,迁移性更低。蒙特卡洛(MC)模拟结果表明,氧气在3种体系中的渗透系数(P)大小顺序为P_(NR)>P_(NR/2246)>P_(NR/425),即防老剂425更容易阻隔氧气渗透,表明了其防老剂物理防护机制。为验证分子模拟结论的准确性,对不同NR复合体系进行0~7 d的热氧老化实验,采用拉力试验机、邵尔A硬度计、傅里叶红外变换光谱仪研究2种防老剂对NR的热氧老化防护效果,发现NR/425体系的力学性能保持率最好,红外图谱结果显示,防老剂425/NR复合体系的氧碳摩尔比增长率最低,表明防老剂425对NR的防护效果更好,与分子模拟结论一致,证明多尺度分子模拟有助于防老剂的选取。

天然橡胶/顺丁橡胶共混物相容性的分子模拟研究

天然橡胶(NR)具有优异的综合性能而广泛应用于各个领域,但较差的耐热、耐老化性能影响了NR制品的使用寿命。天然橡胶与顺丁橡胶(BR)共混可改善制品的拉伸强度、耐磨性、抗撕裂性能,提高制品的使用寿命和耐低温性能,二者共混常用于轮胎制造。NR与BR共混,二者的相容性对共混物的相结构和性能具有重要影响。本研究利用Material Studio软件构建模型,采用分子动力学(MD)和耗散粒子动力学(DPD)模拟方法在分子尺度和介观尺度上对室温下NR/BR共混的相容性进行探讨。通过MD模拟,确定了NR和BR在模拟过程的最小聚合度均为20;构建10/90、30/70、50/50、70/30、90/10的NR/BR共混物模型,并计算每个NR/BR共混模型的相互作用参数χ,发现在NR/BR共混体系中NR与BR分子间的相互作用参数χNR-BR始终比临界相互作用参数χC小;分析了不同质量比NR/BR共混物分子间的径向分布函数,发现NR与BR分子间的径向分布函数ginter(r)始终高于NR与NR、BR与BR同种分子间的径向分布函数,表明共混物中不同种类分子间(NR与BR)的相互作用比同种类分子间(NR与NR、BR与BR)的相互作用要强;DPD模拟得到不同质量比NR/BR共混物的介观形貌,发现共混物分散相的相畴尺寸会随着分散相含量的增加而增加,但均未出现宏观相分离的情况。上述模拟结果表明,NR和BR在室温下以不同质量比混合时,始终表现出良好的相容性。为验证模拟结论是否准确,制备了NR/BR共混物试样,并采用动态热机械分析仪对样品进行测试,结果证实了NR/BR共混体系的混溶性。模拟结论与实验结果相匹配,证明分子模拟研究和预测共混物相容性是可行的,可为共混实验提供可靠的参考和指导。