制造可以承受打击而不失去弹力的橡胶材料

​当谈到汽车对环境的影响时，很多人都在谈论尾气排放。但汽车还存在另一种你可能没有想到的环境威胁：微塑料污染。

汽车轮胎由橡胶制成，也由塑料聚合物和其他材料制成。当轮胎与路面摩擦时，这些材料的微小碎片(大部分只有沙粒大小)就会脱落。有些被冲入土壤和水道;其他进入空气中，对人类和其他生物健康的长期影响尚不清楚。

杜克大学化学教授斯蒂芬·克雷格认为我们可以做得更好。在 6 月 22 日发表在《科学》杂志上的一项研究中，他和同事描述了一种使橡胶材料的韧性提高一个数量级的方法，同时又不影响其其他方面的性能。

克雷格是杜克大学和麻省理工学院团队的成员，该团队一直在研究一类称为弹性体的柔性聚合物材料内的分子反应。想想橡胶轮胎、医用手套中的丁腈橡胶或软性隐形眼镜中的硅胶。这些材料的神奇之处在于，它们可以反复拉伸和挤压，但仍能恢复到原来的形状。

但它们并非坚不可摧。当压力足够大时，它们就会开始破裂。克雷格说，大多数使此类材料更耐用的方法都不可避免地需要权衡：例如，韧性越大，弹性越小。

新的研究表明，这并不总是必须妥协。秘密在于材料中嵌入的弱键实际上使其变得更强。

放大得足够近，弹性体本质上看起来就像一堆松散盘绕的绳子或意大利面条。每条链都是一个长链状分子，称为聚合物，具有称为交联的共价键将相邻链保持在一起。

正是交联帮助这些材料保持形状。拉动材料可以拉伸缠结的聚合物链并使它们变直。放手吧，他们就会放松回到更加盘绕和聚集的状态。

对于这项新研究，该团队的想法是使用旨在断裂的弱交联将一些聚合物链连接在一起。

在他们的工作中，研究人员设计并合成了两种相同的由聚丙烯酸酯组成的弹性体，聚丙烯酸酯是一种橡胶聚合物，用于制造软管、密封件和垫圈等物品。然后，在其中一个中，他们用强度五倍的交联取代了交联，这是由于嵌入的分子在压力下会破裂——在这种情况下是一种称为环丁烷的环形分子。

克雷格说，在其他条件相同的情况下，你可能会认为“更容易断裂的连接体应该产生更容易撕裂的材料。”

但他们却发现了相反的情况。“令人惊讶的是，整个网络变得更强而不是更弱，”他补充道。

在机械测试中，研究人员将每种材料的薄片装入机器中，测量撕裂样品所需的力。

两者在刚度和弹性方面相似，但用弱交联剂制成的材料比用更强键交联的材料的撕裂难度高出九倍。

克雷格说：“韧性的增强没有任何其他物理特性的重大变化，至少我们可以测量到，并且它是通过仅替换整体材料的一小部分来实现的。”

第一作者王舒(Shu Wang)说，聚合物材料的撕裂本质上是一种化学反应，他是博士论文的一部分。克雷格和杜克大学高分子理论家迈克尔·鲁宾斯坦的论文。

通常，跨越撕裂前缘的聚合物线必须断裂才能使裂纹扩展。

但在他们的设计中，弱交联首先断裂，使主聚合物线松开，但其他方面完好无损。这有助于材料抵抗进一步分解，即使是在开始形成小划痕和瑕疵时也是如此。

该团队已就该方法申请了专利。克雷格说，要利用这些见解来设计更坚韧的合成橡胶(如轮胎中的合成橡胶)，还有很多工作要做。

“但这才是我最兴奋的长期应用。”

此前的研究估计，每年，轮胎在全球范围内释放约600 万吨灰尘和碎片，占最终进入海洋的微塑料的 10%，占空气中颗粒物的 3-7%我们呼吸。

“这只是由于轮胎胎面在道路上的磨损造成的，”克雷格说。“即使能减少 10%，仍然可以将 60 万吨微塑料排除在环境之外。”

“所以我真的很高兴看到这些想法如何转化为这个问题，”克雷格说。