[01075157]低成本长寿命橡胶材料的研究及应用技术

橡胶是国民经济和国防建设中一类传承久远、不可或缺的关键材料，如飞机、坦克、运输车辆用轮胎、减震器和发动机密封件等，橡胶材料的好坏直接决定了高技术装备的可靠性和安全性。如1986年美国挑战者号航天飞机由于橡胶密封圈的失效导致7名机组人员丧生；2000年法国协和飞机由于轮胎爆裂导致109人丧生。橡胶材料是由弹性体和填料组成、通过交联形成三维网络结构的材料。在使用过程中，橡胶材料的三维网络受到破坏，产生微裂纹，导致材料性能丧失，失去使用价值。因此，设计稳定的橡胶三维网络结构，延长橡胶材料的使用寿命是橡胶工业发展方向的核心和关键技术之一。国内外对延长橡胶材料使用寿命的研究主要是以合成特殊结构的橡胶材料为主，利用其自愈合性能延长使用寿命，但是得到的橡胶制品强度偏低，实际应用困难，并且材料价格高昂，难以实现大规模工业化生产和应用。因此，如何在现有的基础上，设计橡胶的三维网络结构，延长橡胶材料的使用寿命，降低橡胶材料的使用成本，是橡胶工业发展的重要议题。 该项目通过对橡胶材料设计过程中的共性基础和特性进行了系统的研究，掌握了橡胶材料三维网络微观结构对橡胶材料静态力学性能及疲劳寿命的影响规律，突破了长寿命橡胶材料的结构设计和成型工艺等技术难题，进行了关键装置的设计和研制；完成了系统与控制方法的集成，验证产品质量的一致性，完成工艺的稳定性研究，实现材料制备、产品加工和检验的批量与规模化生产，取得以下技术创新： (1)揭示了橡胶-纳米填料之间弱相互作用与橡胶网络结构、力学强度和动态疲劳性能之间的构效关系，提出构建橡胶-纳米填料弱相互作用、延长橡胶材料使用寿命的设计理念，设计的橡胶材料拉伸强度最高增幅为20％，撕裂强度最高增幅为13％，耐磨耗性能提高了14％，动态疲劳寿命增加40％； (2)阐明了功能填料对橡胶阻隔性能、导热性能及橡胶网络结构稳定性的影响机制，发明了含有二维纳米填料的橡胶材料体系，通过降低小分子在橡胶体系中的扩散和提高橡胶的导热性能，延长橡胶材料的使用寿命，得到的橡胶材料耐溶剂渗透性能最高提升37％，热传导性能最高提升40％，适用高温范围150℃～165℃； (3)发明了液态多相混合-力场诱导取向-热场交联定型的一体化成型技术，实现纳米填料在橡胶材料中的分布调控，创新设计了生产和检验等关键设备，实现了低成本长寿命橡胶材料的制备、产品加工和检验的批量与规模化生产，并据此开发了一系列橡胶制品，实现了产品升级。 该项目共获得发明专利授权23项，发表论文18篇，其中SCI收录8篇，EI收录10篇。该项目成果为低成本长寿命橡胶材料的设计提供了理论和实践基础，开发的橡胶材料制品，具有强度高、使用寿命长、安装维护方便、换装周期长和综合成本低等显著优势，已应用于冷轧钢生产线、汽车冷却系统生产线和车辆履带板等要求严苛的使用领域，近两年累计新增销售收入13.69亿元，新增利税3.52亿元。