（武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074）

增容劑在遇水膨脹橡膠中的應(yīng)用

（武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074）

為改善丁腈橡膠（NBR）和高吸水樹脂（SAR）的相容性，以實(shí)驗(yàn)室自制的兩親性聚氨酯（TPU）作為高吸水樹脂和丁腈橡膠的增容劑，白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)劑，通過物理共混方法制備出遇水膨脹橡膠，并對(duì)其吸水性能、力學(xué)性能進(jìn)行研究.結(jié)果表明：TPU的加入明顯降低了吸水樹脂的析出量并提高了平衡吸水量，對(duì)遇水膨脹橡膠的力學(xué)性能影響不明顯.

遇水膨脹橡膠；相容性；增容劑；吸水性能；力學(xué)性能

0 引 言

遇水膨脹橡膠（WSR）是在橡膠基體中加入親水組分制成［1－2］.具有橡膠基體高彈性及較高強(qiáng)度同時(shí)還具有遇水快速膨脹的特點(diǎn)，廣泛用作隧道高速公路、地鐵等建筑工程的工程變形縫、施工縫、各種管道接頭等的密封防水止漏材料［3－5］.由于化學(xué)接枝法存在成本高、工藝復(fù)雜、膨脹率低的問題，制備WSR一般采取物理共混法，但由于親水組分與橡膠基體相容性差，浸水一段時(shí)間后存在親水組分大量析出的問題，嚴(yán)重影響了WSR的吸水膨脹性能和力學(xué)性能.于是人們開始尋找一些能夠增進(jìn)橡膠基體與吸水組分相容性的助劑，以期制備綜合性能優(yōu)良的 WSR.兩親性聚氨酯（TPU）分子結(jié)構(gòu)中親水基團(tuán)與高吸水樹脂相容性好，親油基團(tuán)則與橡膠基體結(jié)構(gòu)相近甚至能與橡膠產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，因此可作為橡膠與高吸水樹脂的相容劑［6－8］.

本文以實(shí)驗(yàn)室自制的TPU為增容劑，以高吸水樹脂（SAR）及丁腈橡膠（NBR）為主要原料，通過物理共混方法制備出吸水膨脹橡膠.對(duì)不同結(jié)構(gòu)的TPU對(duì)遇水膨脹橡膠的吸水性能及力學(xué)性能的影響進(jìn)了研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和配方

原料：聚氨酯（TPU），實(shí)驗(yàn)室自制；丁腈橡膠（NBR）N41，蘭州石化；高吸水樹脂（SAR），實(shí)驗(yàn)室自制；沉淀法白炭黑JF666，重慶建峰集團(tuán)有限公司；其他試劑或助劑均為市售工業(yè)級(jí).

配方（質(zhì)量份）：NBR 100 phr，硬脂酸1.5 phr，氧化鋅5 phr，古馬隆5 phr，SAR 35 phr，白炭黑30 phr，防老劑40 101 phr，TPU 0～20 phr，促進(jìn)劑CZ 1.2 phr，硫磺1.7 phr.

［說明：phr表示對(duì)每100份（本文統(tǒng)一以質(zhì)量計(jì)）橡膠添加的份數(shù)，下同］

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SK160B雙滾筒煉膠機(jī)，上海拓林橡膠機(jī)械廠；XLB－D壓力成型機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司；C2000E無轉(zhuǎn)子橡膠硫化儀，北京市友深電子儀器廠；沖片機(jī)CDR－5，成都真武機(jī)械廠；WDW－90電子萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳凱強(qiáng)力股份有限公司；橡膠硬度計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司；橡膠裁刀，江都市天惠試驗(yàn)機(jī)械有限公司.

1.3 WSR試樣制備

將丁腈橡膠先在開煉機(jī)上塑煉2 min，然后依次加入高吸水樹脂、硬脂酸、氧化鋅、古馬隆、防老劑4010、硫磺、白炭黑、聚氨酯、促CZ，整個(gè)混煉過程10 min左右完成，然后再打三角包6～8次即得到分散性較好的混煉膠.混煉膠停放8 h后在平板硫化機(jī)上進(jìn)行模壓硫化，硫化條件：150℃× 12 min，壓力10 MPa.

1.4 性能測試

1.4.1 力學(xué)性能的測試 按照GB／T528－1998、GB／T529－1999，GB／T5531－1999標(biāo)準(zhǔn)，測定試樣拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和硬度.壓縮永久變形按GB 7759－1996測試（測試條件為70°C× 24 h，25%壓縮）.

1.4.2 吸水性能的測定 將剪取的WSR試樣（20 mm×10 mm×2 mm）先稱取它們初始重量，然后浸入自來水中，在室溫下每隔一段時(shí)間取出稱重，每次稱重前用試紙迅速吸干試樣表面的殘留液體，按下列公式計(jì)算試樣的質(zhì)量吸水倍率：

質(zhì)量吸水率（Δm）

m1為浸泡前試樣在空氣中的質(zhì)量（g）；

m2為浸泡后試樣在空氣中的質(zhì)量（g）；

m3為試樣吸水后干燥至恒重的質(zhì)量（g）.

2 結(jié)果與討論

2.1 TPU用量對(duì)WSR性能的影響

2.1.1 TPU用量對(duì)WSR吸水性能的影響

圖1是在室溫下自來水中不同TPU含量的WSR膨脹率隨時(shí)間變化曲線.

圖1 TPU的用量對(duì)WSR的吸水性能影響Fig.1 The influence of adsorptive properties of WSR on the content of TPU

從圖1可以看出：隨著TPU含量的增加，開始時(shí)WSR的吸水速率有變慢趨勢，但未加TPU的WSR很快就達(dá)到吸水平衡且逐漸有質(zhì)量下降趨勢，加了TPU的WSR的吸水倍率有較長時(shí)間的平穩(wěn)增長，達(dá)到最大值后只有稍微的質(zhì)量減少.TPU含量為10 phr時(shí)，膨脹倍率最高.

從表1可以看出，TPU為10 phr和20 phr的WSR的質(zhì)量損失率都較小.從吸水的能力方面來講，TPU比SAR要差很多，所以作為增容劑的TPU并不是加的越多越好；加的太多會(huì)降低單位質(zhì)量中SAR的含量，從而將低平衡吸水量；而加的太少或不加TPU時(shí)SAR與NBR的相容性很差，SAR將大量析出而，導(dǎo)致平衡吸水量將遠(yuǎn)小于其最大吸水量.

表1 TPU含量對(duì)WSR質(zhì)量損失率的影響Table 1 The influence of mass loss rate of WSR on the content of TPU）

2.1.2 TPU含量對(duì)WSR力學(xué)性能的影響

TPU含量對(duì)WSR力學(xué)性能的影響見表2.從表2可以看出：當(dāng)TPU的含量增加時(shí)，WSR的邵氏硬度有稍微增大趨勢，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率則有稍微降低趨勢.增加TPU的用量，遇水膨脹橡膠的含膠率降低，而TPU對(duì)橡膠幾乎不具有補(bǔ)強(qiáng)作用，所以拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率稍微有所降低，但由于TPU的用量本身就較少，且對(duì)橡膠基體和吸水樹脂具有良好的增容作用，有利于SAR在NBR中的分散，能一定程度的減少吸水樹脂的聚集，減少應(yīng)力缺陷的形成，綜合各方面因素，TPU對(duì)

WSR力學(xué)性能影響不明顯.

表2 TPU含量對(duì)WSR力學(xué)性能的影響Table 2 The influence of mechanical properties of WSR on the content of TPU

2.2 不同分子量PEG制備的TPU對(duì)WSR性能影響

2.2.1 對(duì)WSR吸水性能影響 主要研究了PEG2000、PEG4000、及PEG2000與PEG4000按1∶1混合這三種情況下制備的TPU對(duì)WSR性能的影響.圖2是在室溫下自來水中不同分子量PEG合成的TPU對(duì)WSR膨脹率隨時(shí)間變化而變化的曲線.從圖2可以看出：由PEG2000與PEG4000按1∶1混合后與TDI反應(yīng)制備的TPU加入WSR中后達(dá)到的吸水效果最好，可能是因?yàn)橥环N分子量的PEG與TDI反應(yīng)制備的TPU的結(jié)構(gòu)十分規(guī)整，結(jié)晶性較大，導(dǎo)致產(chǎn)物較脆，增容效果就差于PEG混合使用時(shí)的.

圖2 不同分子量的PEG對(duì)WSR吸水性能影響Fig.2 The influence of adsorptive properties of WSR on the different molecular weight of PEG

2.2.2 對(duì)WSR力學(xué)性能影響 不同分子量PEG制備的TPU對(duì)WSR力學(xué)性能影響見表3.從表3可以看出：不同分子量PEG制備的TPU對(duì)WSR力學(xué)性能影響不明顯，由PEG2000與PEG4000按1∶1混合后與TDI反應(yīng)制備的TPU加入WSR后達(dá)到的效果相對(duì)較好.

表3 不同分子量PEG對(duì)WSR力學(xué)性能影響Table 3 The influence of mechanical properties of WSR on the different molecular weight of PEG

3 結(jié) 語

a.以NBR、SAR、白炭黑為主要原料，TPU為增容劑，通過物理共混制備遇水膨脹橡膠，結(jié)果表明：在TPU含量為0～20 phr范圍內(nèi)隨著TPU含量的增加，WSR的遇水膨脹性能先增加后降低，WSR的質(zhì)量損失率有明顯下降趨勢，其力學(xué)性能有略微降低趨勢；TPU含量為10 phr時(shí)綜合性能最佳.

b.不同分子量PEG制備的TPU中，以PEG2000與PEG4000按1∶1混合后與TDI反應(yīng)制備的TPU加入WSR后達(dá)到的效果相對(duì)較好.

［1］ 許臨，李芳，付紅旗.遇水膨脹橡膠的研制及應(yīng)用進(jìn)展［J］.中國建筑防水，2000（2）：27－29.

［2］ 李葉柳，丁國榮.吸水膨脹橡膠制備技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.彈性體，2009，19（3）：65－69.

［3］ Lewan M V.Blends of natural rubber［M］.London：Chapman and Hall，1998.

［4］ 張書香，夏宇正，陳勇，等.EPDM基吸水膨脹橡膠的力學(xué)性能［J］.合成橡膠工業(yè)，1999，22（5）：294－296.

［5］ 汪艷，劉長生.防水用吸水膨脹橡膠的研制［J］.湖北化工，2001（5）：11－13.

［6］ 李秀輝，吳江渝，楊鵬，等.基于SAP吸水膨脹橡膠的耐溫耐鹽性能［J］.材料工程，2010（4）：33－35.

［7］ 周愛軍，劉長生.多嵌段共聚物增容的遇水膨脹橡膠研究［J］.化肥設(shè)計(jì)，2002，40（5）：15－18.

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Application of compatibilizer in water swelling rubber

XU Zhi，WANG－Yan，LI Ming，ZENG Fu－cai
（School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China）

In order to improve the compatibility of nitrile rubber（NBR）and super absorbent resin（SAR），Water swellable rubber（WSR）was produced using the NBR and SAR as the raw materials，the TPU as compatibilizer，the white charcoal black as reinforcing agent by the way of physical mix.The water absorbency and mechanical properties of WSR were investigated.The results show that TPU significantly reduces the amount of precipitation of SAR and increases the amount of water absorption of adsorption equilibrium，and the influence of mechanical properties of WSR of TPU is not significant.

water swelling rubber；compatibility；compatibilizer；water absorbency；mechanical properties

龔曉寧

TQ 336.8

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.10.015

16742869（2011）10006503

20110722

徐 智（1985），湖北宜昌人，碩士研究生.研究方向：材料加工.

指導(dǎo)老師：汪 艷，女，副教授，博士.研究方向：高分子材料配方設(shè)計(jì)、成型加工、復(fù)合改性及快速成型材料等方面的研究工作.＊通信聯(lián)系人