增容剂在遇水膨胀橡胶中的应用

（武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074）

增容剂在遇水膨胀橡胶中的应用

（武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074）

为改善丁腈橡胶（NBR）和高吸水树脂（SAR）的相容性，以实验室自制的两亲性聚氨酯（TPU）作为高吸水树脂和丁腈橡胶的增容剂，白炭黑作为补强剂，通过物理共混方法制备出遇水膨胀橡胶，并对其吸水性能、力学性能进行研究.结果表明：TPU的加入明显降低了吸水树脂的析出量并提高了平衡吸水量，对遇水膨胀橡胶的力学性能影响不明显.

遇水膨胀橡胶；相容性；增容剂；吸水性能；力学性能

0 引 言

遇水膨胀橡胶（WSR）是在橡胶基体中加入亲水组分制成［1－2］.具有橡胶基体高弹性及较高强度同时还具有遇水快速膨胀的特点，广泛用作隧道高速公路、地铁等建筑工程的工程变形缝、施工缝、各种管道接头等的密封防水止漏材料［3－5］.由于化学接枝法存在成本高、工艺复杂、膨胀率低的问题，制备WSR一般采取物理共混法，但由于亲水组分与橡胶基体相容性差，浸水一段时间后存在亲水组分大量析出的问题，严重影响了WSR的吸水膨胀性能和力学性能.于是人们开始寻找一些能够增进橡胶基体与吸水组分相容性的助剂，以期制备综合性能优良的 WSR.两亲性聚氨酯（TPU）分子结构中亲水基团与高吸水树脂相容性好，亲油基团则与橡胶基体结构相近甚至能与橡胶产生交联反应，因此可作为橡胶与高吸水树脂的相容剂［6－8］.

本文以实验室自制的TPU为增容剂，以高吸水树脂（SAR）及丁腈橡胶（NBR）为主要原料，通过物理共混方法制备出吸水膨胀橡胶.对不同结构的TPU对遇水膨胀橡胶的吸水性能及力学性能的影响进了研究.

1 实验部分

1.1 主要原料和配方

原料：聚氨酯（TPU），实验室自制；丁腈橡胶（NBR）N41，兰州石化；高吸水树脂（SAR），实验室自制；沉淀法白炭黑JF666，重庆建峰集团有限公司；其他试剂或助剂均为市售工业级.

配方（质量份）：NBR 100 phr，硬脂酸1.5 phr，氧化锌5 phr，古马隆5 phr，SAR 35 phr，白炭黑30 phr，防老剂40 101 phr，TPU 0～20 phr，促进剂CZ 1.2 phr，硫磺1.7 phr.

［说明：phr表示对每100份（本文统一以质量计）橡胶添加的份数，下同］

1.2 实验设备

SK160B双滚筒炼胶机，上海拓林橡胶机械厂；XLB－D压力成型机，浙江湖州东方机械有限公司；C2000E无转子橡胶硫化仪，北京市友深电子仪器厂；冲片机CDR－5，成都真武机械厂；WDW－90电子万能试验机，深圳凯强力股份有限公司；橡胶硬度计，上海精密仪器仪表有限公司；橡胶裁刀，江都市天惠试验机械有限公司.

1.3 WSR试样制备

将丁腈橡胶先在开炼机上塑炼2 min，然后依次加入高吸水树脂、硬脂酸、氧化锌、古马隆、防老剂4010、硫磺、白炭黑、聚氨酯、促CZ，整个混炼过程10 min左右完成，然后再打三角包6～8次即得到分散性较好的混炼胶.混炼胶停放8 h后在平板硫化机上进行模压硫化，硫化条件：150℃× 12 min，压力10 MPa.

1.4 性能测试

1.4.1 力学性能的测试 按照GB／T528－1998、GB／T529－1999，GB／T5531－1999标准，测定试样拉伸强度、拉断伸长率和硬度.压缩永久变形按GB 7759－1996测试（测试条件为70°C× 24 h，25%压缩）.

1.4.2 吸水性能的测定 将剪取的WSR试样（20 mm×10 mm×2 mm）先称取它们初始重量，然后浸入自来水中，在室温下每隔一段时间取出称重，每次称重前用试纸迅速吸干试样表面的残留液体，按下列公式计算试样的质量吸水倍率：

质量吸水率（Δm）

m1为浸泡前试样在空气中的质量（g）；

m2为浸泡后试样在空气中的质量（g）；

m3为试样吸水后干燥至恒重的质量（g）.

2 结果与讨论

2.1 TPU用量对WSR性能的影响

2.1.1 TPU用量对WSR吸水性能的影响

图1是在室温下自来水中不同TPU含量的WSR膨胀率随时间变化曲线.

图1 TPU的用量对WSR的吸水性能影响Fig.1 The influence of adsorptive properties of WSR on the content of TPU

从图1可以看出：随着TPU含量的增加，开始时WSR的吸水速率有变慢趋势，但未加TPU的WSR很快就达到吸水平衡且逐渐有质量下降趋势，加了TPU的WSR的吸水倍率有较长时间的平稳增长，达到最大值后只有稍微的质量减少.TPU含量为10 phr时，膨胀倍率最高.

从表1可以看出，TPU为10 phr和20 phr的WSR的质量损失率都较小.从吸水的能力方面来讲，TPU比SAR要差很多，所以作为增容剂的TPU并不是加的越多越好；加的太多会降低单位质量中SAR的含量，从而将低平衡吸水量；而加的太少或不加TPU时SAR与NBR的相容性很差，SAR将大量析出而，导致平衡吸水量将远小于其最大吸水量.

表1 TPU含量对WSR质量损失率的影响Table 1 The influence of mass loss rate of WSR on the content of TPU）

2.1.2 TPU含量对WSR力学性能的影响

TPU含量对WSR力学性能的影响见表2.从表2可以看出：当TPU的含量增加时，WSR的邵氏硬度有稍微增大趋势，拉伸强度和断裂伸长率则有稍微降低趋势.增加TPU的用量，遇水膨胀橡胶的含胶率降低，而TPU对橡胶几乎不具有补强作用，所以拉伸强度、断裂伸长率稍微有所降低，但由于TPU的用量本身就较少，且对橡胶基体和吸水树脂具有良好的增容作用，有利于SAR在NBR中的分散，能一定程度的减少吸水树脂的聚集，减少应力缺陷的形成，综合各方面因素，TPU对

WSR力学性能影响不明显.

表2 TPU含量对WSR力学性能的影响Table 2 The influence of mechanical properties of WSR on the content of TPU

2.2 不同分子量PEG制备的TPU对WSR性能影响

2.2.1 对WSR吸水性能影响 主要研究了PEG2000、PEG4000、及PEG2000与PEG4000按1∶1混合这三种情况下制备的TPU对WSR性能的影响.图2是在室温下自来水中不同分子量PEG合成的TPU对WSR膨胀率随时间变化而变化的曲线.从图2可以看出：由PEG2000与PEG4000按1∶1混合后与TDI反应制备的TPU加入WSR中后达到的吸水效果最好，可能是因为同一种分子量的PEG与TDI反应制备的TPU的结构十分规整，结晶性较大，导致产物较脆，增容效果就差于PEG混合使用时的.

图2 不同分子量的PEG对WSR吸水性能影响Fig.2 The influence of adsorptive properties of WSR on the different molecular weight of PEG

2.2.2 对WSR力学性能影响 不同分子量PEG制备的TPU对WSR力学性能影响见表3.从表3可以看出：不同分子量PEG制备的TPU对WSR力学性能影响不明显，由PEG2000与PEG4000按1∶1混合后与TDI反应制备的TPU加入WSR后达到的效果相对较好.

表3 不同分子量PEG对WSR力学性能影响Table 3 The influence of mechanical properties of WSR on the different molecular weight of PEG

3 结 语

a.以NBR、SAR、白炭黑为主要原料，TPU为增容剂，通过物理共混制备遇水膨胀橡胶，结果表明：在TPU含量为0～20 phr范围内随着TPU含量的增加，WSR的遇水膨胀性能先增加后降低，WSR的质量损失率有明显下降趋势，其力学性能有略微降低趋势；TPU含量为10 phr时综合性能最佳.

b.不同分子量PEG制备的TPU中，以PEG2000与PEG4000按1∶1混合后与TDI反应制备的TPU加入WSR后达到的效果相对较好.

［1］ 许临，李芳，付红旗.遇水膨胀橡胶的研制及应用进展［J］.中国建筑防水，2000（2）：27－29.

［2］ 李叶柳，丁国荣.吸水膨胀橡胶制备技术及应用研究进展［J］.弹性体，2009，19（3）：65－69.

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

［4］ 张书香，夏宇正，陈勇，等.EPDM基吸水膨胀橡胶的力学性能［J］.合成橡胶工业，1999，22（5）：294－296.

［5］ 汪艳，刘长生.防水用吸水膨胀橡胶的研制［J］.湖北化工，2001（5）：11－13.

［6］ 李秀辉，吴江渝，杨鹏，等.基于SAP吸水膨胀橡胶的耐温耐盐性能［J］.材料工程，2010（4）：33－35.

［7］ 周爱军，刘长生.多嵌段共聚物增容的遇水膨胀橡胶研究［J］.化肥设计，2002，40（5）：15－18.

［8］ 苑静.水溶性聚氨酯热熔胶的合成［J］.应用化工，2009，38（5）：672－674.

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

龚晓宁

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，硕士研究生.研究方向：材料加工.

指导老师：汪 艳，女，副教授，博士.研究方向：高分子材料配方设计、成型加工、复合改性及快速成型材料等方面的研究工作.＊通信联系人