钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物, 其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。 由于技术的局限, 导致我国钢渣利用率较低, 仅为年钢渣产量的10%, 同时加之管理制度的不健全, 导致钢渣大量露天堆放, 对土地资源、 地下水源, 以及空气质量形成严重影响。 面对上述问题, 以热闷渣、 电炉渣和风淬渣研发改性钢渣微粉, 并且将改性钢渣微粉与复合橡胶进行复合制备改性钢渣/橡胶复合材料。 依据《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》（GB/T3512—2014）对改性钢渣/橡胶复合材料进行热氧老化处理, 采用平衡溶胀法测定改性钢渣/橡胶复合材料的交联密度, 扫描电子显微镜（SEM）、 热重分析仪（TGA）和傅里叶转换红外光谱仪（FTIR）分别测试其微观形貌、 失重率和结构组成, 从微观层面阐述改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理。 结果表明在热氧老化前期老化作用在改性钢渣/橡胶复合材料表面, 其内部以交联键形成反应为主; 在热氧老化中期老化作用已经作用改性钢渣/橡胶复合材料内部, 造成交联键断裂反应速度高于交联键形成反应速度, 形成大量断裂交联键; 在热氧老化后期由于改性钢渣/橡胶复合材料内部已经存在大量断裂交联键, 导致主链及交联键断裂速度降低, 交联键形成反应占优势。 改性钢渣微粉以热闷渣（SiO2含量高）为原材料, 有利于形成聚合物大分子链贯穿炭黑网络的结构, 提高综合性能, 尤其是物理机械性与滞后性; 以电炉渣、 风淬渣（Fe2O3含量高）制备改性钢渣微粉, 有利于热传导性能的改善, 不仅提高改性钢渣/橡胶复合材料的耐热性, 而且提高其硬度与脆性。 热氧老化过程中改性钢渣/橡胶复合材料内部在橡胶分子链α-H上发生了不同程度的氧化反应, 并在橡胶分子链周围生成了羟基、 羧基和醇类化合物, 双键烯氢含量降低。

介电谱技术是一种利用宏观介电参数分析微观结构变化的技术。相比于微波频段,太赫兹介电谱含有丰富的指纹谱信息,能反映物质内部多种运动模式。在太赫兹频段研究了天然橡胶制品热氧老化后的介电谱,进而分析了分子结构的变化。研究结果表明,经过不同老化时间后,样本的太赫兹介电常数的实部和虚部均具有明确的变化规律,且与材料在老化中的微观结构变化相对应。对测试得到的太赫兹介电谱数据进行拟合,获得了相应的零频介电常数、光频介电常数和介电强度,从分子整体结构的角度分析了橡胶老化过程中材料的极性结构和分子间的网络化结构与分子链分解和交联的关系。研究结论表明,太赫兹介电谱在材料老化无损检测方面具有潜在的应用价值。

天然橡胶制品的老化是其使用中普遍存在的现象, 老化的本质是材料本身存在缺陷而容易被外部因素影响。介电谱是表征电介质对电磁波频率或温度的依赖关系, 是微观极化的一种宏观体现。参照橡胶热空气老化标准GB/T3512-2014, 对天然硫化橡胶在100 ℃实验箱中进行了1 000余小时热氧实验, 研究样品的太赫兹介电谱随老化时间的变化关系。通过跟踪测试, 获取了橡胶每24 h在0.2~1.2 THz的复介电常数和损耗角正切值有效数据, 根据复介电常数数值可以推导橡胶的极化特点和统计性的微观运动类型, 进而分析用太赫兹介电谱表征的天然硫化胶热氧老化过程中分子结构变化和相互的对应关系。由于材料老化的相通性, 该结果对研究其他高分子材料的老化也能起到积极的意义。