Влияние содержания девулканизированной регенерированной резины на структуру, механические свойства и термоокислительное старение этилен-пропилен-диен-мономерной (EPDM) резины

Почему старая резина всё ещё важна

Ежегодно огромные объёмы резины от уплотнений, шлангов, кровли и покрышек становятся отходами, потому что процесс, придающий резине прочность и упругость, одновременно делает её трудной для переработки. В этом исследовании рассматривается перспективный способ дать одной распространённой резине, EPDM, вторую жизнь. Селективно разрушая и частично восстанавливая мелкие связи, удерживающие материал вместе, авторы изучают, какое количество регенерированной EPDM можно ввести в новые изделия без ущерба для безопасности, долговечности и характеристик. Их выводы указывают на более устойчивое производство резиновых деталей для автомобилей, зданий и промышленности с меньшим объёмом отходов, отправляемых на свалки или сжигаемых в качестве топлива.

Превращение изношенной резины в полезный компонент

EPDM широко применяется благодаря лучшей по сравнению со многими другими эластомерами стойкости к нагреву, озону и атмосферным воздействиям. После вулканизации — химического сшивания в трёхмерную сеть — она становится прочной и эластичной, но очень трудно поддаётся переплавке и повторной переработке. В работе использовали девулканизированную EPDM, у которой многие серосодержащие связи между цепями были выборочно разорваны при сохранении основной полимерной цепи в основном нетронутой. В регенерированном материале остаются полимер, карбоновая сажа, масла и минеральные наполнители. Исследователи вводили его в стандартную уплотнительную смесь EPDM в четырёх долях: 0% (эталон из первичной резины), 20%, 40% и 60% девулканизированной резины. Для самой высокой доли также протестировали модифицированную рецептуру с уменьшенным содержанием карбоновой сажи и пластификатора, чтобы компенсировать те компоненты, которые уже присутствуют в регенерате.

Как добавление регенерированной резины меняет структуру

Чтобы понять происходящее внутри резины, авторы применили набор методов, отслеживающих образование и старение сети. Испытания вулканизации, эксперименты по набуханию, температурозависимое релаксационное напряжение, низкопольный ЯМР и метод определения зафиксированного растворителя по температуре замерзания — все они исследуют, насколько плотно связаны цепи. Большинство этих методов согласились, что добавление девулканизированной EPDM повышает общую плотность связей в сети, в основном потому, что регенерат всё ещё содержит реакционноспособную серу и частично разорванные связи, которые могут образовывать новые мостики при повторной вулканизации. Однако один метод — основанный на смещении точки замерзания растворителя под влиянием резины — показал, что при высоком содержании регенерата среднее расстояние между связями фактически увеличивается. Авторы предполагают, что это расхождение может отражать более сложную смесь длинных, гибких серных мостиков и более коротких, жёстких связей в смесях с большим содержанием регенерата, и не все методы одинаково «видят» такую структуру.

От лабораторных испытаний к реальной эксплуатации

Механические испытания выявили ясную компромиссную зависимость при увеличении доли девулканизированной EPDM. Твердость по Шору A, простая мера того, насколько материал воспринимается как твёрдый, повышалась с ростом содержания регенерата, отражая более жёсткую, плотнее связанную сеть с большим объёмом наполнителя. Вместе с тем прочность на разрыв, сопротивление разрыву и относительное удлинение при разрыве снижались, особенно при 40% и 60%. Микроскопические неоднородности в контакте новых и старых областей резины, неравномерное сшивание и частично повреждённые цепи создают «слабые места», где зарождаются и распространяются трещины. Модифицированная рецептура с 60% регенерата, с пониженным содержанием карбоновой сажи и масла, немного смягчила материал и улучшила его растяжимость по сравнению с немодифицированной 60%-ной смесью, при этом сохранив большинство свойств в похожем диапазоне. Это показывает, что грамотная рецептура может частично компенсировать недостатки высокой доли регенерата.

Что происходит по мере старения резины

Долговечность так же важна, как первоначальная прочность, для уплотнений и прокладок, которые в течение лет могут находиться в горячей, обогащённой кислородом среде. Чтобы имитировать длительную эксплуатацию, исследователи выдерживали все составы до шести недель при 70 °C и 100 °C, а также на эквивалентно короткие сроки при 125 °C. Они отслеживали изменения в химии, жёсткости, прочности, растяжимости и упругости. Как и ожидалось, старение приводило к увеличению числа сшивок и частичному разрыву цепей во всех материалах. Тем не менее смеси с регенератом не старели быстрее эталона из первичной резины; во многих случаях их потеря прочности и гибкости была сопоставима или даже немного менее выражена. ИК‑спектры и измерения числа сшивок показали, что сеть постепенно смещается от более длинных, подвижных серных мостиков к более коротким, жёстким, но это смещение не вызывало драматического дополнительного срастания хрупкости в смесях с регенератом. Иногда модифицированная 60%-ная рецептура вела себя необычно хорошо, что даёт основание полагать, что точная настройка рецептуры может улучшать как начальные свойства, так и сопротивляемость старению.

Что это значит для более экологичной резины

Для неспециалистов главный вывод таков: EPDM с существенной долей тщательно девулканизированного материала может по‑прежнему демонстрировать достойные эксплуатационные характеристики, особенно если рецептура скорректирована с учётом дополнительных наполнителей и реакционноспособной серы в регенерате. Большее содержание переработанного материала делает резину более твёрдой, но менее растяжимой, и при очень высоких долях всё ещё заметно снижается прочность. Однако смеси с регенератом не разрушаются быстрее под воздействием тепла и кислорода — они стареют примерно в том же темпе, что и обычная EPDM. Это означает, что во многих случаях уплотнений и амортизирующих изделий, где не требуются экстремальные механические характеристики, производители могут безопасно заменять значительную долю первичной резины регенерированной EPDM, сокращая отходы и расход ресурсов при сохранении длительного срока службы изделий.

Цитирование: Leng, Y., Spanheimer, V., Katrakova-Krüger, D. et al. Effect of devulcanized reclaimed rubber content on structure, mechanical properties, and thermo-oxidative aging behavior of ethylene-propylene-dien-monomer (EPDM) rubber. Sci Rep 16, 6350 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36961-w

Ключевые слова: EPDM резина, девулканизация, переработка резины, старение материалов, устойчивые полимеры