環(huán)境條件對丁腈基遇水膨脹橡膠性能的影響*

劉 陽，韓 峰，侯乃賀

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

遇水膨脹橡膠(WSR)是20世紀(jì)70 年代末期由日本開發(fā)出的新型功能高分子材料。WSR是在傳統(tǒng)的彈性基體﹙如橡膠和熱塑性彈性體﹚中引入親水基團(tuán)或親水組分而制成的[1]，該產(chǎn)品吸水后可膨脹至自身質(zhì)量或體積的數(shù)倍乃至數(shù)十倍，能適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形，并產(chǎn)生較大膨脹力，在保持基體的彈性和強(qiáng)度的同時(shí)，還具有保水止水的能力[2-4]。丁腈橡膠基體的樹脂型WSR具有吸水速度快、膨脹倍率高、反復(fù)吸水能力強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。

WSR在封閉空間中使用，吸水后膨脹率并不能達(dá)到最大值，因此產(chǎn)生了膨脹橡膠與約束體間的接觸壓力，依靠這種接觸壓力就可以發(fā)揮其密封止水的作用[6-8]。本文以丁腈橡膠為基體，選用自制的耐鹽、耐高溫的吸水樹脂為主要原料，以炭黑和白炭黑混用作為補(bǔ)強(qiáng)劑，與其它各種添加劑機(jī)械共混制得WSR，然后對制備的各種配方的WSR吸水膨脹性能進(jìn)行了綜合考察[9-10]，從中選擇最優(yōu)配方，研究溫度、鹽度、pH值、試樣厚度等因素對WSR吸水膨脹性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

丁腈橡膠：N41，優(yōu)級品，中國石油蘭州石化公司；高吸水樹脂：自制；氧化鋅、硫黃、硬脂酸、防老劑4010NA、古馬隆樹脂、聚乙二醇8000、白炭黑、炭黑N220、促進(jìn)劑CZ、促進(jìn)劑TT均為市售工業(yè)品。

1.2 儀器設(shè)備

SK-160B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；TCS-2000電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)：高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；LHS-150HC恒溫恒濕箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

基本配方(質(zhì)量份)為： 丁腈橡膠 100，氧化鋅 3.0，硫黃 1.0，硬脂酸1.5， 防老劑4010NA 2.0，古馬隆5.0，高吸水樹脂 55，聚乙二醇 5，白炭黑 40，炭黑 20，促進(jìn)劑CZ 0.8，促進(jìn)劑TT 0.2。

1.4 試樣制備

(1) 稱量：根據(jù)配方稱取膠料以及各組分，攪拌均勻。

(2) 塑煉：NBR通過開煉機(jī)塑煉，停放8 h待混煉。

(3) 混煉：分兩段混煉，一段混煉加入除硫化劑外的配合劑，膠料停放8 h 以上進(jìn)行二段混煉；二段混煉加入硫化劑，混煉膠在開煉機(jī)上下片，停放12 h待壓片。

(4) 壓片：停放后的混煉膠在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150 ℃×60 min。制備出厚度分別為2 mm、13 mm、45 mm的試樣。

1.5 吸水性能測試

將WSR試樣浸入含有自來水、各種pH值和各種濃度鹽水的燒杯中，在一定的溫度下每隔一定時(shí)間取出稱重，每次稱重時(shí)要迅速吸去試樣表面的水分，直到吸水達(dá)到飽和[11]。質(zhì)量吸水膨脹率Sm按式(1)計(jì)算：

Sm=(m2-m1)/m1

(1)

式中：m1、m2分別為試樣吸水前后的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣厚度對WSR吸水膨脹性能的影響

不同厚度的WSR在60 ℃的自來水中遇水膨脹曲線如圖1所示。

時(shí)間/h圖1 不同厚度的WSR在60 ℃的自來水中遇水膨脹曲線

由圖1可知，不同試樣厚度對WSR的吸水膨脹性能有著很大影響。在60 ℃自來水中，隨著試樣厚度的增加，WSR的遇水膨脹性能降低。主要原因是：(1)試樣厚度越大，其比表面積越小，從而導(dǎo)致WSR吸水膨脹率越??；(2)厚度越大的橡膠，在吸水后其內(nèi)部的致密度越大，滲透壓越小，進(jìn)而吸水性能越弱。根據(jù)WSR的這個(gè)特性，在設(shè)計(jì)吸水膨脹橡膠制品的過程中，需要充分考慮尺寸規(guī)格，以保證能夠貢獻(xiàn)膨脹率的部分都被使用到。

2.2 溫度對WSR吸水膨脹性能的影響

不同環(huán)境溫度對WSR吸水膨脹性能的影響如圖2所示。

時(shí)間/h圖2 不同環(huán)境溫度對WSR吸水膨脹性能的影響

由圖2可知，環(huán)境溫度對WSR 吸水膨脹率有明顯影響。隨著溫度的升高，曲線的斜率增加，WSR達(dá)到膨脹平衡所需時(shí)間減小，表明WSR的吸水速度提高，這是因?yàn)?1)升高溫度有利于分子鏈鍛運(yùn)動，橡膠鏈段單元運(yùn)動加快，給予吸水樹脂的束縛力有所降低，故WSR吸水膨脹率增加；(2)升高溫度使外界提供的能量增加，吸水樹脂與水分子形成的氫鍵被削弱，鏈間疏水作用增強(qiáng)，水分被釋放出來而影響最終平衡膨脹率；同時(shí)溫度的上升也會影響到改性樹脂和橡膠的結(jié)合作用力，隨著溫度的升高，流失率在小范圍內(nèi)增大，這在一定程度上降低WSR的最終平衡膨脹率。

2.3 鹽水濃度對WSR吸水膨脹性能的影響

室溫下WSR在不同鹽水濃度時(shí)的質(zhì)量平衡吸水膨脹曲線如圖3所示。

時(shí)間/h圖3 不同鹽水濃度時(shí)WSR的質(zhì)量平衡吸水膨脹曲線

由圖3可知，隨著鹽水濃度增加，WSR吸水膨脹率逐漸降低，這是因?yàn)椋篧SR吸水膨脹主要依靠其中的吸水樹脂顆粒，而環(huán)境中的離子對樹脂的吸水性能有很大影響。環(huán)境中的離子濃度越高，樹脂內(nèi)外的滲透壓就越小，吸水性能就越差。吸水膨脹性能的降低意味著吸水樹脂之間有效接觸的幾率減少，導(dǎo)致WSR不能充分地吸水膨脹，因此WSR的質(zhì)量最大膨脹率隨著鹽水濃度的增加而降低。

2.4 pH值對WSR吸水膨脹性能的影響

WSR在不同pH環(huán)境中(室溫)的最大膨脹率曲線如圖4所示。

pH值圖4 WSR在不同pH環(huán)境中(室溫)的最大膨脹率曲線

WSR在不同pH環(huán)境中(室溫)的膨脹率曲線如圖5所示。

時(shí)間/h圖5 WSR在不同pH環(huán)境中(室溫)的膨脹率曲線

在不同pH 值的溶液中，WSR吸水能力有著很大的不同。由圖4可知，當(dāng)pH值增加時(shí)，最大吸水膨脹率先增加后降低，當(dāng)pH值等于7時(shí)，其吸水能力達(dá)到最強(qiáng)。

由圖5可知，當(dāng)pH值增加時(shí)，吸水膨脹率先增加后降低，這主要是由于吸水樹脂和橡膠之間的相容性差，吸水樹脂粒子之間的距離很大，在pH值趨于中性時(shí)，由于吸水樹脂膨脹較大，所以粒子之間可形成導(dǎo)水通路，但是在pH值很低或者很高時(shí)，由于吸水樹脂膨脹率降低，吸水樹脂間的距離大小不均，導(dǎo)致很多吸水樹脂粒子由于無法接觸到水而不膨脹，所以在pH值很小或者很大時(shí)，吸水樹脂受pH值的影響較大。另外，在酸性或者堿性條件下，H+離子或者OH-離子破壞了橡膠分子鏈段結(jié)構(gòu)，溶液酸性或堿性越強(qiáng)，橡膠鏈段結(jié)構(gòu)破壞得越嚴(yán)重，其吸水能力越低。

3 結(jié) 論

以丁腈基材料為基體，通過加入適量高吸水樹脂、炭黑等填料共混制備的WSR，其吸水膨脹性能受環(huán)境影響較大，通過考察不同鹽度、pH值、溫度等環(huán)境條件及試樣厚度對WSR 吸水性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著試樣厚度增加，WSR膨脹性能降低；隨著溫度升高，吸水膨脹率以及平衡吸水膨脹率都有明顯提高；隨著鹽溶液濃度的升高，吸水膨脹率明顯降低；隨著pH值的升高，吸水膨脹率先升后降，在pH=7時(shí)，吸水能力最強(qiáng)。因此，在設(shè)計(jì)WSR制品時(shí)，需要根據(jù)使用環(huán)境、膨脹率以及密封能力進(jìn)行最佳尺寸以及配方設(shè)計(jì)，為WSR的性能改進(jìn)提供了研究依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)：

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