PAAS/CR吸水复合材料的性能研究

赵晓雅，孙会娟，刘彦彬，李丽霞

(衡水学院 应用化学系，河北 衡水 053000)

吸水膨胀橡胶(WSR)做为一种新型的功能型高分子材料[1]，吸水后会产生一定的膨胀压力，这使其既能保持橡胶原有的弹性和力学强度，同时还赋予WSR较强的保水能力[2]。WSR可以吸水膨胀至自身重量或自身体积的数倍[3-4]，这种特性使其在有效的体积膨胀范围内起到弹性密封止水和吸水膨胀止水的双重作用[5]，因此，在隧道、地铁、大坝、水库、仪器以及工程变形缝、施工缝等建筑工程的防水密封等方面得到广泛应用[6-9]，为工业生产、日常生活以及建筑建设等方面都带来了巨大的便利。

WSR主要由橡胶基体与亲水性物质(如吸水树脂)组成[10]。橡胶基材通常会选用力学性能较好、结晶度高的橡胶，例如氯丁橡胶、丁腈橡胶、氯化聚乙烯橡胶等。此外，由于吸水树脂PAAS是极性物质，因此选用极性橡胶有利于提高二者的相容性[11]。因此，本文选取PAAS和CR制备PAAS/CR吸水复合材料，并研究了PAAS用量对复合材料力学性能和吸水性能的影响规律，为WSR的进一步应用提供理论基础。

1 实验部分

1.1 主要原材料

CR321，山纳合成橡胶有限责任公司；炭黑N550，河北龙星化工公司；聚丙烯酸钠吸水树脂，山东华迪新型材料有限公司；其他配合剂均为常用市售工业试剂。

1.2 配方

CR 100，ZnO 5.0，MgO 4.0，促进剂DM 1.0，炭黑40，硅烷偶联剂Si69 2，硬脂酸 1，防老剂RD 1，PAAS(变量)，(份)。

1.3 测试仪器及设备

开炼机XK-160，大连嘉尔新橡塑机械公司；无转子硫化仪，JC-2000E，江都市精诚测试仪器公司；平板硫化机，XLB-D350×350，青岛华天鑫工贸有限公司；电子万能试验机，WSM-20KN，长春市智能仪器设备公司；邵式硬度计，LX-A，温州一鼎仪器制造有限公司；橡胶回弹仪，WTB-0.5，江都市道纯试验机械厂。

1.4 PAAS/CR复合材料的制备

在开炼机上将生胶薄通，随后加入硬脂酸、促进剂DM、Si69、炭黑、防老剂RD及吸水树脂，最后加入ZnO、MgO进行机械混合，多次进行打卷打三角包，使橡胶和各种助剂混合均匀后下片。硫化条件为150℃×25min。

1.5 性能测试

拉伸性能，GB/T528-2009，哑铃型，拉伸速度500mm/min；撕裂强度，GB/T529-2008，直角型；硬度，GB/T 531.1-2008；回弹性，GB/T 1681-2009。吸水膨胀率(Q)：将试样干燥至恒重后称重(M0)，浸入蒸馏水中浸泡，每隔一段时间取出试样用滤纸吸干表面水分，称重(M1)。计算公式为：Q=(M1-M0)/M0×100%。

2 结果与讨论

2.1 PAAS/CR复合材料的拉伸性能

表1 PAAS用量对PAAS/CR复合材料拉伸性能的影响

由表1可以看出，随PAAS加入份数增加，复合材料的拉伸强度、断裂伸长率呈下降趋势。当PAAS份数从0份增加至60份，其拉伸强度从16.8MPa降低至7.4MPa，主要是由于CR具有疏水性，而PAAS是亲水性物质，虽然加入相容剂Si69，但两者之间的相容性仍然较差，导致加入的PAAS在复合材料体系中的分散不均匀，且PAAS用量越多，越不易在复合材料中分散均匀。在进行拉伸试验时，复合材料受力不均匀，导致局部受力过大而断裂。同时，PAAS的加入破坏了CR的规整度，削弱了CR的自补强作用。

2.2 PAAS/CR复合材料的撕裂强度

表2 PAAS用量对PAAS/CR复合材料撕裂强度的影响

由表2可以看出，随PAAS加入份数增加，复合材料的撕裂强度呈下降趋势。当PAAS份数从0份增加至60份，撕裂强度由87.6kN/m降至40.6kN/m。主要是因为PAAS与CR相容性较差，导致PAAS在复合材料体系中分散性差，故撕裂强度降低。

2.3 PAAS/CR复合材料的硬度和回弹性

表3 PAAS用量对PAAS/CR复合材料硬度和回弹性的影响

Tab.3 Effect of PAAS dosage on the hardness and

rebound performance of PAAS/CR composites

从表3可以看出，随着PAAS用量的增加，复合材料的硬度呈现上升趋势。当PAAS用量从0份增加至60份时，复合材料的硬度值从70HA增加至88HA。主要是由于PAAS是刚性物质，PAAS的加入增加了复合材料的刚性。此外，PAAS的加入降低了复合材料的含胶率，因此回弹率有所降低。

2.4 PAAS/CR复合材料的吸水膨胀率

图1 PAAS含量对PAAS/CR

由图1可知，随着PAAS用量的增加，PAAS/CR复合材料的吸水膨胀率呈现上升趋势，当PAAS的用量从0份增加至60份时，PAAS/CR复合材料的吸水膨胀率从1.4%增至125.0%。并且PAAS/CR复合材料的吸水膨胀率随浸泡时间的延长而增大，43小时后吸水膨胀率趋于平缓。主要是由于PAAS是PAAS/CR复合材料中主要的吸水组分。随着PAAS的用量的增加，一方面，体系中的亲水基团数目不断增加，亲水基団与水分子间形成强相互作用的氢键数目增加，有利于亲水基団更多更快的吸附水分子。另一方面，水分子的进入会使吸水性树脂中可解离基团离子化，产生的Na+离子进入体系内部会使内部离子浓度增大，产生渗透压，促使水分子更多的进入体系内部。同时，由于吸水树脂聚合物链上所荷离子基团对可移动Na+离子有吸引作用，故渗透压得以保持，直至体系内外渗透压达到平衡，此时复合材料吸水膨胀率达到最大。

3 结论

(1)力学性能：PAAS用量(0份～60份)增加，PAAS/CR复合材料拉伸强度、撕裂强度、断裂伸长率、回弹性呈现下降趋势，硬度呈现上升趋势。

(2)吸水性能：PAAS用量(0份～60份)增加，时间的延长，PAAS/CR复合材料吸水膨胀率呈上升趋势，且达到一定时间后，吸水膨胀率趋于平缓。