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如何设计吸水膨胀橡胶的配方
作者:禾川化学   上传时间:2015年01月05日
如何设计吸水膨胀橡胶的配方
吸水膨胀橡胶是一种通过弹性密封和吸水膨胀双重止水的新型功能高分子材料,广泛用作土木建筑的止水材料、密封材料、填料等。橡胶的高弹性和较好的机械强度,使得橡胶在吸水后可膨胀几倍至几百倍,可以克服橡胶材料因永久形变、蠕变和嵌接材料的固化收缩等带来的止水失效缺陷。其作用机理是当橡胶与水接触时,水分子不断地通过扩散、毛细及表面吸附剂等物理作用进入吸水膨胀橡胶内,与橡胶中的亲水基团形成极强的亲和力,使橡胶发生膨胀形变,当抵抗形变的应力和渗透压差达到平衡时,吸水膨胀橡胶保持相对稳定的止水和堵漏的效果。
吸水膨胀橡胶的种类繁多,按其制备方法可分为机械共混型和化学接枝型;按吸水膨胀橡胶的性能可分为高膨胀率(350%)、中膨胀率(200%~350%)、低膨胀率(50%~200%)等类型。
吸水膨胀橡胶可由通过化学改性引入亲水性官能团的橡胶基体材料制成;也可由橡胶材料和亲水性的化学物质进行共混制成。
吸水膨胀橡胶可由橡胶材料和亲水性的化学物质进行共混制成。吸水膨胀橡胶中基体材料确定的原则是:弹性好,工艺性能好,具有一定的强度。常用的橡胶有天然橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡胶以及热塑性的SBS等。非结晶型橡胶与吸水树脂共混制成吸水膨胀橡胶,易发生冷流现象,用作止水材料是会丧失止水效果,因此最好采用常温下结晶区域或玻璃化区域达到5%~50%的1,3﹣二烯类橡胶,如氯丁橡胶。氯丁橡胶比丁基橡胶作基体制得的WSR膨胀性能好,但丁基橡胶为基体时强度高,耐压性好。亲水性化学物质常采用吸水树脂,可改善橡胶的强度与加工性能,以及吸水膨胀橡胶组成的关键组成。吸水树脂应选择粒度小、吸水率大、保持水的能力强、在橡胶中易分散、不会析出的品种。一般吸水树脂的用量越大,膨胀率就越大。但用量过大影响橡胶的物理机械性能,在实际应用中应根据制品的使用条件,在吸水性和胶料的物理机械性能间达到最佳平衡。目前生产中常用的吸水树脂有以下几种。
①淀粉类  如淀粉﹣丙烯腈接枝聚合物的皂化物、淀粉﹣丙烯酸的接枝聚合物等。
②纤维素类  如纤维素﹣丙烯腈接枝聚合物、羧甲基纤维素的交联产物等。
③聚乙烯醇类  如聚乙烯醇的交联产物、丙烯腈﹣乙酸乙烯酯共聚物的皂化产物等。
④丙烯酸类  如聚丙烯酸盐(主要是钠盐)(PNaAA)、甲基丙烯酸甲酯﹣乙酸乙烯酯共聚物的皂化产物等。
⑤聚亚烷基醚类  如聚乙烯制与二丙烯酯交联的产物等。
⑥马来酸酐类  如异丁烯﹣马来酸酐的交替共聚物,阴离子型聚丙烯酰胺(PHPAM﹣1)等。
吸水性树脂大多是由水溶性树脂经部分交联或皂化而制成的,一般为颗粒状粉末,它们绝大多数不易在橡胶中分散。吸水树脂在橡胶中分散不均匀,遇水时表面的树脂就会被谁抽出,从而影响产品的吸水率。将吸水树脂与水溶胀性聚氨酯并用,一起与橡胶混炼,则可制出具有不同吸水膨胀率和力学性能的吸水膨胀橡胶。在橡胶中掺用其他吸水性树脂也能制成吸水膨胀橡胶。可选用吸水倍率高、吸水后强度较好的吸水树脂,如部分交联的聚丙烯酸钠、异丁烯-马来酸酐的共聚物等。其中以含羧酸盐的高分子电解质作为吸水性树脂最为适宜,特別是以乙烯基醚和烯烃不饱和羧酸或其衍生物为主要成分的共聚物的皂化物以及聚乙烯醇/丙烯酸盐的接技共聚物,不但吸水后的强度高,而且还能提高吸水后材料的刚性。为了克服吸水性树脂与橡胶基材脱离的现象,吸水树脂的粒径应控制在100μm以下,小于50μm则更好。除了粒径之外,吸水树脂的共混工艺对制品的外观、物理性能等也有重影晌。超吸水树脂中发展最快的是丙烯酸类超吸水树脂。丙烯酸类超吸水树脂是以丙烯酸为主体原料合成的,树脂的吸水能力在600倍以上。
橡胶材料和吸水性树脂两者因热力学相容性差,混合后不能形成较好的混容体系,分散相的吸水性树脂易彼此凝聚在一起,从橡胶交联网络中脱落,影响吸水膨胀橡胶的吸水性能和力学性能。选择适合的增容剂,可改善橡胶材料和吸水性树脂的相容性,从而提高吸水膨胀橡胶的吸水性能和力学性能。
常用的增容剂是含聚氧化乙烯(PEO300)嵌段的亲水亲油型多嵌段共聚物。
一般情况下,吸水膨胀橡胶的吸水率,随交联密度增加而减小。这是因为硫化胶的交联密度大,交联网络紧密,橡胶分子链的移动或扩张不容易,树脂吸水后的膨胀力,不能克服交联网络的束缚,使树脂在橡胶中的吸水膨胀受到较大的压抑,导致膨胀率减小;反之,交联密度小,交联网络稀松,吸水树脂的膨胀力大于交联网络的束缚力,吸水后橡胶能均匀膨胀。因此在保证硫化胶物理力学性能的同时,应尽量减小交联密度。具体措施是可减少硫化剂、促进剂的用量。
吸水膨胀橡胶大多是在嘲湿恶劣的环境下使用的,所以在配方中必须增加防老剂的用量,而且所用的防老剂不应被水抽出。此外还要加入适量的防霉剂,特別是当水中含有多价金属离子时,例如用于与海水接触的海洋工程,当雨水或淤泥的水中含有金属离子时,它的吸水膨胀性能就会受到影响。为了避免这种影响,可在配方中加入金属离子封闭剂,如缩合磷酸盐和乙二胺四乙酸及其金属盐之类的氨基羧酸衍生物,其用量在1~50份之间,视水质情况而定。在某些对金属有腐蚀性的应用场合中还要加入0.5~1.0份的抗金属腐蚀剂。
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