环境条件对丁腈基遇水膨胀橡胶性能的影响*

刘 阳，韩 峰，侯乃贺

(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

遇水膨胀橡胶(WSR)是20世纪70 年代末期由日本开发出的新型功能高分子材料。WSR是在传统的弹性基体﹙如橡胶和热塑性弹性体﹚中引入亲水基团或亲水组分而制成的[1]，该产品吸水后可膨胀至自身质量或体积的数倍乃至数十倍，能适应结构变形，并产生较大膨胀力，在保持基体的弹性和强度的同时，还具有保水止水的能力[2-4]。丁腈橡胶基体的树脂型WSR具有吸水速度快、膨胀倍率高、反复吸水能力强等特点[5]。

WSR在封闭空间中使用，吸水后膨胀率并不能达到最大值，因此产生了膨胀橡胶与约束体间的接触压力，依靠这种接触压力就可以发挥其密封止水的作用[6-8]。本文以丁腈橡胶为基体，选用自制的耐盐、耐高温的吸水树脂为主要原料，以炭黑和白炭黑混用作为补强剂，与其它各种添加剂机械共混制得WSR，然后对制备的各种配方的WSR吸水膨胀性能进行了综合考察[9-10]，从中选择最优配方，研究温度、盐度、pH值、试样厚度等因素对WSR吸水膨胀性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料

丁腈橡胶：N41，优级品，中国石油兰州石化公司；高吸水树脂：自制；氧化锌、硫黄、硬脂酸、防老剂4010NA、古马隆树脂、聚乙二醇8000、白炭黑、炭黑N220、促进剂CZ、促进剂TT均为市售工业品。

1.2 仪器设备

SK-160B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；TCS-2000电脑系统拉力试验机：高铁检测仪器(东莞)有限公司；LHS-150HC恒温恒湿箱：上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 实验配方

基本配方(质量份)为： 丁腈橡胶 100，氧化锌 3.0，硫黄 1.0，硬脂酸1.5， 防老剂4010NA 2.0，古马隆5.0，高吸水树脂 55，聚乙二醇 5，白炭黑 40，炭黑 20，促进剂CZ 0.8，促进剂TT 0.2。

1.4 试样制备

(1) 称量：根据配方称取胶料以及各组分，搅拌均匀。

(2) 塑炼：NBR通过开炼机塑炼，停放8 h待混炼。

(3) 混炼：分两段混炼，一段混炼加入除硫化剂外的配合剂，胶料停放8 h 以上进行二段混炼；二段混炼加入硫化剂，混炼胶在开炼机上下片，停放12 h待压片。

(4) 压片：停放后的混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为150 ℃×60 min。制备出厚度分别为2 mm、13 mm、45 mm的试样。

1.5 吸水性能测试

将WSR试样浸入含有自来水、各种pH值和各种浓度盐水的烧杯中，在一定的温度下每隔一定时间取出称重，每次称重时要迅速吸去试样表面的水分，直到吸水达到饱和[11]。质量吸水膨胀率Sm按式(1)计算：

Sm=(m2-m1)/m1

(1)

式中：m1、m2分别为试样吸水前后的质量。

2 结果与讨论

2.1 试样厚度对WSR吸水膨胀性能的影响

不同厚度的WSR在60 ℃的自来水中遇水膨胀曲线如图1所示。

时间/h图1 不同厚度的WSR在60 ℃的自来水中遇水膨胀曲线

由图1可知，不同试样厚度对WSR的吸水膨胀性能有着很大影响。在60 ℃自来水中，随着试样厚度的增加，WSR的遇水膨胀性能降低。主要原因是：(1)试样厚度越大，其比表面积越小，从而导致WSR吸水膨胀率越小；(2)厚度越大的橡胶，在吸水后其内部的致密度越大，渗透压越小，进而吸水性能越弱。根据WSR的这个特性，在设计吸水膨胀橡胶制品的过程中，需要充分考虑尺寸规格，以保证能够贡献膨胀率的部分都被使用到。

2.2 温度对WSR吸水膨胀性能的影响

不同环境温度对WSR吸水膨胀性能的影响如图2所示。

时间/h图2 不同环境温度对WSR吸水膨胀性能的影响

由图2可知，环境温度对WSR 吸水膨胀率有明显影响。随着温度的升高，曲线的斜率增加，WSR达到膨胀平衡所需时间减小，表明WSR的吸水速度提高，这是因为(1)升高温度有利于分子链锻运动，橡胶链段单元运动加快，给予吸水树脂的束缚力有所降低，故WSR吸水膨胀率增加；(2)升高温度使外界提供的能量增加，吸水树脂与水分子形成的氢键被削弱，链间疏水作用增强，水分被释放出来而影响最终平衡膨胀率；同时温度的上升也会影响到改性树脂和橡胶的结合作用力，随着温度的升高，流失率在小范围内增大，这在一定程度上降低WSR的最终平衡膨胀率。

2.3 盐水浓度对WSR吸水膨胀性能的影响

室温下WSR在不同盐水浓度时的质量平衡吸水膨胀曲线如图3所示。

时间/h图3 不同盐水浓度时WSR的质量平衡吸水膨胀曲线

由图3可知，随着盐水浓度增加，WSR吸水膨胀率逐渐降低，这是因为：WSR吸水膨胀主要依靠其中的吸水树脂颗粒，而环境中的离子对树脂的吸水性能有很大影响。环境中的离子浓度越高，树脂内外的渗透压就越小，吸水性能就越差。吸水膨胀性能的降低意味着吸水树脂之间有效接触的几率减少，导致WSR不能充分地吸水膨胀，因此WSR的质量最大膨胀率随着盐水浓度的增加而降低。

2.4 pH值对WSR吸水膨胀性能的影响

WSR在不同pH环境中(室温)的最大膨胀率曲线如图4所示。

pH值图4 WSR在不同pH环境中(室温)的最大膨胀率曲线

WSR在不同pH环境中(室温)的膨胀率曲线如图5所示。

时间/h图5 WSR在不同pH环境中(室温)的膨胀率曲线

在不同pH 值的溶液中，WSR吸水能力有着很大的不同。由图4可知，当pH值增加时，最大吸水膨胀率先增加后降低，当pH值等于7时，其吸水能力达到最强。

由图5可知，当pH值增加时，吸水膨胀率先增加后降低，这主要是由于吸水树脂和橡胶之间的相容性差，吸水树脂粒子之间的距离很大，在pH值趋于中性时，由于吸水树脂膨胀较大，所以粒子之间可形成导水通路，但是在pH值很低或者很高时，由于吸水树脂膨胀率降低，吸水树脂间的距离大小不均，导致很多吸水树脂粒子由于无法接触到水而不膨胀，所以在pH值很小或者很大时，吸水树脂受pH值的影响较大。另外，在酸性或者碱性条件下，H+离子或者OH-离子破坏了橡胶分子链段结构，溶液酸性或碱性越强，橡胶链段结构破坏得越严重，其吸水能力越低。

3 结 论

以丁腈基材料为基体，通过加入适量高吸水树脂、炭黑等填料共混制备的WSR，其吸水膨胀性能受环境影响较大，通过考察不同盐度、pH值、温度等环境条件及试样厚度对WSR 吸水性能的影响，发现随着试样厚度增加，WSR膨胀性能降低；随着温度升高，吸水膨胀率以及平衡吸水膨胀率都有明显提高；随着盐溶液浓度的升高，吸水膨胀率明显降低；随着pH值的升高，吸水膨胀率先升后降，在pH=7时，吸水能力最强。因此，在设计WSR制品时，需要根据使用环境、膨胀率以及密封能力进行最佳尺寸以及配方设计，为WSR的性能改进提供了研究依据。

参 考 文 献：

[1] 周爱军，杨鹏，刘长生.改性组分对遇水膨胀橡胶吸水膨胀性能影响的逾渗理论分析[J].橡胶工业，2008，18(4)：4-18.

[2] 张玉红，邹其超，何本桥，等.CPE/P(AA-AM)吸水膨胀弹性体的研究[J].高分子材料科学与工程,2002，18(2)：123-126.

[3] 武爱军，王振华，郑文挺，等.SBR/NBR吸水膨胀橡胶的研制[J].橡胶工业，2010，57(10)：618-622.

[4] 韩燕蓝，王群，何培新.吸水膨胀橡胶的改性研究进展[J].橡胶工业，2005，52(4)：251-254.

[5] 山路功，朱敏，罗衍明.吸水性橡胶及橡胶组成物的开发动向[J].橡胶译丛，1985，12(6)：82-87.

[6] 林莲贞，杨治中，林果，等.天然橡胶/部分水解聚丙烯酰胺乳液共混水膨胀性橡胶的研究[J].橡胶工业，1991，38(3)：131-137.

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[10] 张成龙，白延光.古马隆树脂对HNBR性能的影响[J].特种橡胶制品，2012，33(1)：6-8,22.

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