丁苯橡膠拉伸強度的影響因素及改良意見

江羿鋒

丁苯橡膠（SBR）是以丁二烯和苯乙烯為單體共聚而成的合成橡膠，因其力學性能、加工性能和制品的廣泛適應性接近于天然橡膠（NR），并在耐磨性、耐候性、耐熱老化性等方面優于NR，已成為目前世界上產量最高、市場最大的合成橡膠品種，年消費量占合成橡膠總量的近40%。所以業內對SBR的改良，特別是在提高拉伸強度方面進行了孜孜不倦的探索，以期加強這一性能短板，進一步拓寬SBR的應用空間，提升產品性能，而進行相關研究的關鍵就是明確SBR拉伸強度的影響因素。

1　結合苯乙烯含量

一般對于高分子材料而言，相對分子質量增加，范德華力增大，可以提升材料的內聚力，使得分子鏈段更為穩固，提高拉伸強度；同時分子鏈上的極性和剛性基團也可以提高分子間作用力的方式增強拉伸強度。對于SBR而言，苯乙烯在其中就起到了剛性基團的作用，所以提高SBR的結合苯乙烯含量可以增加其拉伸強度。然而在關于苯乙烯含量和SBR拉伸強度的實驗中我們發現當苯乙烯含量達到28%時拉伸強度最大，之后拉伸強度開始逐漸減小。原因在于苯乙烯不能為SBR分子鏈提供硫化雙鍵，所以當苯乙烯的含量過高時，剛性基團對于拉伸強度積極作用開始弱于影響分子鏈硫化交聯對拉伸強度的消極作用，拉伸強度開始下降。

2　門尼黏度

門尼黏度是反應橡膠硫化程度的重要指標，橡膠分子鏈之間的硫化交聯程度越高，門尼黏度也就越高，同時，體型網狀結構開始形成，橡膠的相對分子質量也就越高。實驗結果證明，門尼黏度不僅與相對分子質量成正比關系，同時也與SBR的拉伸強度呈正向分布，原因在于隨著相對分子質量的增大，高分子材料的分子間作用力也隨之增大，進而使拉伸強度獲得強化，試驗證明，當丁苯橡膠的門尼黏度從39.3提高到65.9時，拉伸強度從28.4MPa提升到了31.5MPa，提升幅度為10.9%。

3　原料的純度

SBR的主要原料是丁二烯和苯乙烯，在聚合生產過程中兩種原料的反應轉化率為70%左右，即有30%左右的原料沒有參加聚合反應，而是經過單體回收工序循環使用，與新鮮原料按一定比例混合進入聚合釜參加反應。經過回收工序后，丁二烯原料中所聚集的雜質主要包括丁二烯的低聚體、同分異構體、乙腈，以及一些炔烴等，而對聚合反應影響比較大的是乙烯基乙炔和丁二烯的二聚體，乙烯基乙炔在單體中含量達到0.015%時就會對產品的性能產生明顯的影響，而當其含量達到2%時，可使硫化膠的拉伸強度降低75%，丁二烯二聚體是一種阻聚劑，對產品的相對分子質量和門尼黏度都會產生不利的影響，當其含量達到0.2%時會使聚合時間延長10%，達到0.5%時則會使產品的門尼黏度降低10個單位。而苯乙烯中對聚合反應影響比較大的雜質是二乙烯基苯和一些含氧化合物，二乙烯基苯含量達到1%時會使產品中產生32%的凝膠，而含氧化合物則會延緩聚合反應的進行，導致產品的相對分子質量偏低。因此在一個開車周期中原料的純度必然處于逐漸下降的趨勢，以蘭州石化15萬噸/年乳聚丁苯橡膠裝置為例，該裝置進入聚合釜的丁二烯質量分數在為期一年的生產周期剛開車時為98.24%，到停車前其質量分數降為96.61%，苯乙烯的質量分數則從99.08%降為97.83%，與之相對應的拉伸強度則從開車時的27.86MPa降至停車時的26.89MPa，降幅為3.5%，對產品的性能造成了不利的影響。

4　納米碳酸鈣對S B R拉伸強度的改良

納米碳酸鈣加入到其他材料中后能產生優良的量子效應、小尺寸效應、表面相應等積極的改良效果，因此被廣泛應用于高分子材料的改性和補強。將納米碳酸鈣填充加入SBR后，發現納米碳酸鈣對SBR拉伸強度的增強效果不僅與納米碳酸鈣的填充量有關，而且還與其粒徑有關，當填充量低于75份時，粒徑為45 nm的納米碳酸鈣能實現比較好的增強效果，而當填充量為75～125份之間時，粒徑為30 nm的納米碳酸鈣的增強效果較好，而處于這一區間時，45nm的納米碳酸鈣的增強效果開始下降，超過125份時，30nm的納米碳酸鈣的增強效果也開始下降。時通過對斷截面的SEM掃描，發現填充量小于75份時30 nm的納米碳酸鈣反而在膠體中難以分散，出現了較為嚴重的團聚現象，之后隨著填充量的增加，團聚現象隨之消散，而當填充量大于100份時，45 nm的納米碳酸鈣在SBR基體中以較小的團聚體形態存在，甚至裸露在基體表面，界面結合程度大大下降，力學性能也隨之減弱。

5　結語

拉伸強度作為對SBR性能評價的重要指標，一直被市場所看重，而在生產加工過程中，這一指標受到了很多因素的影響，其中包括結合苯乙烯含量、門尼黏度、原料的純度，以及填料。結合苯乙烯含量對SBR的拉伸強度而言是一把雙刃劍，達到峰值后反而會產生負面影響；在試驗范圍內門尼黏度與SBR拉伸強度一直呈現為正相關；而考慮到設備投資、生產成本等因素，原料的純度對這一性能的影響也不大；使用納米碳酸鈣等填料對SBR補強則能實現最為顯著的效果。

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