再硫化再生橡胶含量对乙烯-丙烯-二烯单体（EPDM）橡胶结构、力学性能和热氧老化行为的影响

旧橡胶为何仍然重要

每年有大量来自密封件、软管、屋面和轮胎的橡胶成为废弃物，因为赋予橡胶坚韧与弹性的工艺也使其难以回收。本研究考察了一种有前景的方法，以赋予一种常见橡胶——EPDM——第二次生命。通过有选择地断裂并重建部分维系材料的细小连接，研究者们探索了在不牺牲安全性、耐久性和性能的前提下，可将多少再生 EPDM 掺入新产品。他们的发现有助于汽车、建筑和工业中更可持续的橡胶零件制造，减少送入填埋场或作为燃料焚烧的材料。

将磨损橡胶变回有用成分

EPDM 橡胶广泛应用，因其比许多其他弹性体更耐高温、臭氧和风化。一旦被“硫化”——通过化学交联形成三维网络——它变得坚固且有弹性，但也很难熔化重塑。团队研究的是“去硫化” EPDM，即有选择地断裂链间许多基于硫的连接，同时尽量保持主链完好。该再生材料仍含有聚合物、炭黑、油类和无机填料。研究者将其以四个掺量配入标准 EPDM 密封配方：不掺（原生参考）、20%、40% 和 60% 去硫化橡胶。对于最高掺量，他们还尝试了一种调整配方，减少了炭黑和增塑剂，以补偿再生材料本身带入的成分。

加入再生橡胶如何改变结构

为了解橡胶内部发生的变化，作者使用了一系列表征网络形成与老化的技术。固化测试、溶胀实验、温度依赖的应力松弛、低场核磁共振以及利用溶剂凝固点测定被困溶剂的方法都用于探测链结的紧密程度。大多数方法一致表明，加入去硫化 EPDM 提高了网络中连接的总体密度，主要因为再生材料仍携带可反应的硫和部分断裂的键，在再固化过程中可形成新的桥联。然而，一种基于溶剂凝固点变化的技术则显示，在高再生含量时，连接之间的平均间距实际上增大。作者提出，这一差异可能反映了再生富集配方中既有较长柔性的硫桥又有较短刚性的桥联的更复杂混合，而并非所有方法都以相同方式“看到”这种结构。

从实验室测试到实际性能

力学测试揭示了随着去硫化 EPDM 含量增加的明显权衡。肖氏 A 硬度——一种衡量橡胶感觉硬度的简单指标——随再生含量稳步上升，反映出更刚性、交联更紧密且填料丰富的网络。与此同时，拉伸强度、撕裂强度和断裂伸长率下降，尤其在 40% 和 60% 掺量时更为明显。新旧橡胶区域连接不均、交联不均匀以及链段部分受损在显微尺度上产生了裂纹起始和扩展的“薄弱点”。经调整的 60% 配方通过减少炭黑和油类使材料略微软化，并相比未调整的 60% 混合物改善了伸长性能，同时将大多数性能维持在相近范围内。这表明合理的配方设计可以在一定程度上抵消高比例回收带来的不利影响。

橡胶随时间老化会怎样

对于可能在高温、富氧环境中长时间使用的密封件和垫圈来说，耐久性与初始强度同样重要。为模拟长期使用，研究者将所有配方在 70 °C 和 100 °C 下老化至多六周，并在 125 °C 下以等效更短时间进行测试。他们跟踪了化学成分、刚度、强度、伸展性和弹性的变化。如预期的那样，老化导致所有材料中交联增加并伴随一定的链断裂。然而，含去硫化物的配方并没有比原生参考材料老化得更快；在许多情况下，它们的强度和柔韧性损失相当或甚至略小。红外光谱和交联测量显示网络逐步从较长、更可动的硫桥转向较短、更刚性的桥联，但这种转变并未在再生混合物中引起显著的额外脆化。经调整的 60% 配方有时表现得相对更好，暗示配方优化既能改善初始性能也能提高抗老化能力。

对更环保橡胶的意义

对非专业读者来说，主要信息是：含有相当比例经过精细去硫化处理的 EPDM 再生料的橡胶，仍能保持体面的性能，尤其在配方对其额外填料和可反应硫作出调整时。更多的再生含量会使橡胶更硬但延展性降低，高含量仍会明显降低强度。然而，这些再生混合物在热和氧的作用下并不会更快地解体；它们的老化速度大体与常规 EPDM 相当。这表明对于许多对极端机械性能要求不高的密封和缓冲用途，制造商可以安全地用大量回收 EPDM 替代一部分原生橡胶，减少废弃物和资源消耗，同时保持较长的使用寿命。

引用: 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

关键词: EPDM 橡胶, 去硫化, 橡胶回收, 材料老化, 可持续聚合物