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橡胶接头:吸水膨胀橡胶

责任编辑:橡胶接头 橡胶软接头 橡胶软连接 发布时间:2017-10-13 10:15 浏览次数:

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吸水膨胀橡胶是*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*几百倍,可以克服橡胶材料因*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、毛细及表面吸附等物理作用进入吸水膨胀胶内,与橡胶中的亲水性基团形成.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,吸水膨胀橡胶持相对稳定的止水和堵漏的效果。

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吸水机理

弹性基体主要由高聚合度碳、氢链节构成本身是疏水性物质。当在基体中引入亲水基团或亲水性组分后再与水接触时水分子会进入基体中与橡胶中的亲水性基团形成.强的亲和力,并将橡胶中的亲水性物质溶解或溶胀在橡胶内外形成渗透压差这种压差促进水向橡胶内部渗透。亲水性物质不断吸收水分致使橡胶发生形变。当橡胶自身抗形变力和渗透压差相等时达到平衡即达到静水.大膨胀率吸水膨胀作用保持相对稳定。*内有研究学者认为吸水过程有2种形式*种是通过毛细管吸附和扩散作用吸水;另*种是通过氢键使水分子与亲水基团紧密结合在*起形成结合水。实际工业应用中吸水膨胀橡胶在封闭条件下使用吸水后膨胀率并不能达到静水.大膨胀率因此产生了膨胀橡胶与约束体间的接触压力依靠这种接触压力吸水膨胀橡胶就可以密封止水。

吸水膨胀橡胶分类

吸水膨胀橡胶可从多角度来分类按制备方法可分为物理共混型和化学接枝型;按其性能还可分为高膨胀率 ( > 350% ) 、中膨胀率( 200% ~ 350%) 、低膨胀率 ( 50% ~ 200% ) 等类型;按制造所用的吸水膨胀剂分则有马来酸酐接枝物、亲水性聚氨酯预聚体、聚丙烯酸类等以及改性高钠基膨润土、白炭黑、聚乙烯醇等类型吸水膨胀橡胶。

吸水膨胀橡胶制备方法

吸水橡胶的制备主要分为两大类:物理共混法、化学接枝法。

物理共混法是把橡胶类聚合物、亲水性物质、填料及助剂等按*定配比在双辊混炼机上混匀后,再用平板硫化机或挤出机等成型硫化。物理共混法可根据需要来调节工艺配方,制备工艺简单,原料来源广泛,生产成本较低,起始吸水迅速,缺点是由于强.性的亲水物质(吸水树脂)本身凝聚力较大,在橡胶中普遍存在分散不好且相容性差浸水后吸水树脂易从橡胶基体中脱离反复使用膨胀率会下降而且其拉伸强度会随膨胀率的增加而降低。

化学接枝法通常指以亲水性单体或齐聚物对非.性高分子链接枝或嵌段共聚制备吸水膨胀橡胶的方法它主要用于制备亲水性聚氨酯和橡胶接枝共聚物两类吸水膨胀橡胶。聚氨酯类吸水膨胀橡胶采用活性端基的亲水性齐聚物或聚合物如聚乙二醇、聚醚二元醇与多元异氰酸酯反应制成它.定的网络结构赋予聚氨酯以高弹性亲水性聚醚嵌段使其具有较高的吸水能力。橡胶接枝共聚物类吸水膨胀橡胶是在橡胶高分子链中引人亲水基团,借以实现橡胶弹性与吸水性的结合。化学嫁接法得到的吸水膨胀橡胶优点是具有微观相容性好、强度高的.点,产物在应用中吸水膨胀及脱水复原的反复过程物理性能稳定,缺点是接枝反应困难、工艺繁琐、成本较高,吸水膨胀倍率低、橡胶主体弹性差。

鉴于经济性考虑,大多数工业生产吸水膨胀橡胶采用物理共混法。

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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*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胀橡胶,易发生冷流现象,用作止水材料时会丧失止水效果,因此.好采用常温下结晶区域或玻璃化区域达到5%50%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膨胀性能好,但以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性树脂,可改善橡胶的强度与加工性能,以及吸水膨胀橡胶成的关键组分。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。*般吸水树脂的用量越大,膨胀率就越大。但用量过大会影响橡胶的物理机械性能,在实际应用中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.*平衡。目前生产中常用的吸水性树脂有以下几种。

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醇与二丙'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*般为颗粒状粉末,它们*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水抽出,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,*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。其中以含羧酸盐的髙分子电解质作为吸水性树脂.为适宜,.别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/丙烯酸盐的接枝聚物,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在100um以下,小于50um则更好。除了粒径之外,吸水树脂的共混工艺对制品的外观、物理性能等也有重要影响。超吸水树脂中展.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*起,从橡交联网络中脱落,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。

*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*松,吸水树脂的膨胀力大于交网络的束缚力,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、促进剂的用量。

吸水膨胀橡胶大多是在潮湿恶劣的环境下使用的,所以在配方必须增加防老剂的用量,而且所用的防老剂不应被水抽出。此外要加入适量的防霉剂,.别是当水中含有多价金属离子时,例如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,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,如缩合憐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150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0.51.0份抗金属腐蚀剂。

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*内研究历程

相比*外,*内的吸水膨胀橡胶研究较晚。1985 *内.次出现WSB研究的报道。马慎贤等研制出聚氨酯吸水膨胀橡胶 ,即浙江大学化工研究分所及上海隧道建设公司联合研制成的821防水材料,其拉伸强度为4.3MPa , 扯断伸长率700 % , 吸水膨胀率180 % , 性能指标达到了当时*外同类产品的水平。

1988 钱明晏采用与山路功相同的方法研究了氯磺化聚乙烯接枝聚乙二醇合成WS R 的条件。1991陈福林等用聚丙烯酸钠与SBR CR 等合成橡胶、填料及助剂共混制备出共混型吸水膨胀橡胶。其拉伸强度为4 5 MPa ,扯断伸长率为690% , 吸水膨胀率为200% , 这种吸水膨胀橡胶浸水48 h , 其膨胀率就比.大吸水膨胀率降低8 % 。同年林莲贞等人采用乳液共混法制取了天然橡胶/部分水解聚丙烯酰胺水膨胀橡胶。得到的这种水膨胀橡胶比*般混炼法制得的产品分散性和均*性都高,而且具有优良的抗老化性和重复使用性。

1996 年张书香等获得.自然科学基金的资助开展了吸水膨胀橡胶的研究工作、系统地研究了吸水膨胀橡胶的制备、结构和力学性能及物理化学参数掌握了吸水膨胀橡胶的组成、结构与性能的关系取得了*系列的理论成果在理论研究的基础上探索了制备可与橡胶共硫化的功能吸水树脂的技术路线设计和实验了功能吸水树脂与橡胶共硫化技术。

1999 年,湖北大学的张玉红等人将氯化聚乙烯(CPE,氯含量为35%) 与吸水树脂P(AA-AM)共混制得吸水膨胀弹性体,经DMTADSCTEM 分析发现,CPE 与吸水树脂简单共混的相容性差,添入合成的接枝物CPE-g-PEG,在*定程度上可改善其相容性。

2010 年,武爱*等人以聚丙烯酸-丙烯酰胺) / 蒙脱土[ P ( AA/AM) / MMT ] 吸水材料为吸水组分、苯乙烯-马来酸酐共聚物[ P( ST/ MA) ] 为相容剂、聚乙二醇为吸水促进剂制备SBR/ NBR吸水膨胀橡胶制得吸水膨胀橡胶吸水膨胀性能及在水中的稳定性优异物理性能良好。

结语

目前吸水膨胀橡胶在研制和应用中越来越广泛,但还存在许多问题吸水膨胀橡胶中吸水树脂在橡胶中的分散性及与橡胶的相容性差长期使用后性能下降吸水膨胀树脂析出接枝法制吸水膨胀橡胶其接枝率低、成本太高等问题影响它在实际生产中的应用。作为*种应用型功能高分子材料,吸水膨胀橡胶的开发和研究应注意以下几个方面的问题:

(1)提高实际应用中的使用寿命,必须解决物理性质不够稳定的问题。

(2)改良合成材料,杜*因成分析出等问题引起的环境问题

(3)成本问题吸水膨胀橡胶必须通过改良生产方法降低成本,提高实用性。

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