羧基化丁腈橡胶与硫酸盐木质素复合材料在压缩载荷下的机械性能研究

本研究探讨了羧基化丁腈橡胶（XNBR）与硫酸盐木质素复合材料的压缩力学性能，揭示了羧基含量（1%-7%）对材料应力松弛、压缩永久变形及微观结构的影响。通过微计算机断层扫描（micro-CT）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）证实，高羧基含量（7%）显著提升木质素分散性，并通过离子键增强界面相互作用，为可持续密封材料开发提供新思路。

　　

摘要

研究聚焦羧基化丁腈橡胶（XNBR）与硫酸盐木质素复合材料的压缩性能，通过混合实验设计（MDOE）制备10种配方，分析羧基含量（1%-7%）和木质素添加量（0-40 phr）对材料性能的影响。结果表明，高羧基含量（7%）的XNBR（XNBR7）使木质素分散更均匀（micro-CT显示粒径减小12%），压缩应力提升近一倍（10.54 MPa@50%应变），但伴随更高的滞后损耗（53%）和应力松弛。

材料与方法

材料：XNBR1（1%丙烯酸）和XNBR7（7%丙烯酸）由巴西Nitriflex公司提供，硫酸盐木质素（Ecolig）来自Suzano公司。复合制备：采用双辊混炼机按ASTM D3187标准混合，硫化体系为氧化锌（3 phr）、硬脂酸（1 phr）、硫磺（1.5 phr）和TBBS（0.7 phr）。

表征技术：

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  溶胀法交联密度：XNBR7的ν_ap高于XNBR1，木质素在高羧基体系中增加交联密度（Flory-Rehner理论）。

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  Micro-CT：XNBR7中木质素体积分数降低12%，表明更优分散性（最小粒径1.1 μm vs. XNBR1的225 μm）。

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  ATR-FTIR：木质素添加导致1732 cm^-1（羧酸氢键）和1698 cm^-1（二聚体）峰增强，而1590/1539 cm^-1（锌羧酸盐）减弱，提示木质素-锌-橡胶配位复合物形成。

结果与讨论

压缩性能：高羧基含量（7%）使XNBR7L40的50%应变应力达10.54 MPa，而XNBR1L40仅5.2 MPa。滞后损耗从X1L0的28%升至X7L40的53%，归因于离子键“跳跃”效应和木质素-橡胶相互作用。

应力松弛：三阶指数衰减模型显示，XNBR7的松弛时间t₃（填料脱粘）延长至1214秒，表明木质素在高羧基体系中更难脱离聚合物链。

压缩永久变形：木质素添加普遍增加变形率（X7L40达41%），但高羧基体系仍优于低羧基（X1L40为51%）。

结论

羧基含量是调控XNBR/木质素复合材料性能的关键：7%羧基通过离子键和氢键增强界面作用，提升机械强度但牺牲部分弹性恢复。FTIR证实木质素与橡胶羧基及锌的配位作用，为生物基密封材料设计提供分子级见解。

（注：全文数据均源自原文实验，未添加外部引用。）