PAAS/CR吸水復合材料的性能研究

趙曉雅，孫會娟，劉彥彬，李麗霞

(衡水學院 應用化學系，河北 衡水 053000)

吸水膨脹橡膠(WSR)做為一種新型的功能型高分子材料[1]，吸水后會產生一定的膨脹壓力，這使其既能保持橡膠原有的彈性和力學強度，同時還賦予WSR較強的保水能力[2]。WSR可以吸水膨脹至自身重量或自身體積的數倍[3-4]，這種特性使其在有效的體積膨脹范圍內起到彈性密封止水和吸水膨脹止水的雙重作用[5]，因此，在隧道、地鐵、大壩、水庫、儀器以及工程變形縫、施工縫等建筑工程的防水密封等方面得到廣泛應用[6-9]，為工業生產、日常生活以及建筑建設等方面都帶來了巨大的便利。

WSR主要由橡膠基體與親水性物質(如吸水樹脂)組成[10]。橡膠基材通常會選用力學性能較好、結晶度高的橡膠，例如氯丁橡膠、丁腈橡膠、氯化聚乙烯橡膠等。此外，由于吸水樹脂PAAS是極性物質，因此選用極性橡膠有利于提高二者的相容性[11]。因此，本文選取PAAS和CR制備PAAS/CR吸水復合材料，并研究了PAAS用量對復合材料力學性能和吸水性能的影響規律，為WSR的進一步應用提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

CR321，山納合成橡膠有限責任公司；炭黑N550，河北龍星化工公司；聚丙烯酸鈉吸水樹脂，山東華迪新型材料有限公司；其他配合劑均為常用市售工業試劑。

1.2 配方

CR 100，ZnO 5.0，MgO 4.0，促進劑DM 1.0，炭黑40，硅烷偶聯劑Si69 2，硬脂酸 1，防老劑RD 1，PAAS(變量)，(份)。

1.3 測試儀器及設備

開煉機XK-160，大連嘉爾新橡塑機械公司；無轉子硫化儀，JC-2000E，江都市精誠測試儀器公司；平板硫化機，XLB-D350×350，青島華天鑫工貿有限公司；電子萬能試驗機，WSM-20KN，長春市智能儀器設備公司；邵式硬度計，LX-A，溫州一鼎儀器制造有限公司；橡膠回彈儀，WTB-0.5，江都市道純試驗機械廠。

1.4 PAAS/CR復合材料的制備

在開煉機上將生膠薄通，隨后加入硬脂酸、促進劑DM、Si69、炭黑、防老劑RD及吸水樹脂，最后加入ZnO、MgO進行機械混合，多次進行打卷打三角包，使橡膠和各種助劑混合均勻后下片。硫化條件為150℃×25min。

1.5 性能測試

拉伸性能，GB/T528-2009，啞鈴型，拉伸速度500mm/min；撕裂強度，GB/T529-2008，直角型；硬度，GB/T 531.1-2008；回彈性，GB/T 1681-2009。吸水膨脹率(Q)：將試樣干燥至恒重后稱重(M0)，浸入蒸餾水中浸泡，每隔一段時間取出試樣用濾紙吸干表面水分，稱重(M1)。計算公式為：Q=(M1-M0)/M0×100%。

2 結果與討論

2.1 PAAS/CR復合材料的拉伸性能

表1 PAAS用量對PAAS/CR復合材料拉伸性能的影響

由表1可以看出，隨PAAS加入份數增加，復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率呈下降趨勢。當PAAS份數從0份增加至60份，其拉伸強度從16.8MPa降低至7.4MPa，主要是由于CR具有疏水性，而PAAS是親水性物質，雖然加入相容劑Si69，但兩者之間的相容性仍然較差，導致加入的PAAS在復合材料體系中的分散不均勻，且PAAS用量越多，越不易在復合材料中分散均勻。在進行拉伸試驗時，復合材料受力不均勻，導致局部受力過大而斷裂。同時，PAAS的加入破壞了CR的規整度，削弱了CR的自補強作用。

2.2 PAAS/CR復合材料的撕裂強度

表2 PAAS用量對PAAS/CR復合材料撕裂強度的影響

由表2可以看出，隨PAAS加入份數增加，復合材料的撕裂強度呈下降趨勢。當PAAS份數從0份增加至60份，撕裂強度由87.6kN/m降至40.6kN/m。主要是因為PAAS與CR相容性較差，導致PAAS在復合材料體系中分散性差，故撕裂強度降低。

2.3 PAAS/CR復合材料的硬度和回彈性

表3 PAAS用量對PAAS/CR復合材料硬度和回彈性的影響

Tab.3 Effect of PAAS dosage on the hardness and

rebound performance of PAAS/CR composites

從表3可以看出，隨著PAAS用量的增加，復合材料的硬度呈現上升趨勢。當PAAS用量從0份增加至60份時，復合材料的硬度值從70HA增加至88HA。主要是由于PAAS是剛性物質，PAAS的加入增加了復合材料的剛性。此外，PAAS的加入降低了復合材料的含膠率，因此回彈率有所降低。

2.4 PAAS/CR復合材料的吸水膨脹率

圖1 PAAS含量對PAAS/CR

由圖1可知，隨著PAAS用量的增加，PAAS/CR復合材料的吸水膨脹率呈現上升趨勢，當PAAS的用量從0份增加至60份時，PAAS/CR復合材料的吸水膨脹率從1.4%增至125.0%。并且PAAS/CR復合材料的吸水膨脹率隨浸泡時間的延長而增大，43小時后吸水膨脹率趨于平緩。主要是由于PAAS是PAAS/CR復合材料中主要的吸水組分。隨著PAAS的用量的增加，一方面，體系中的親水基團數目不斷增加，親水基団與水分子間形成強相互作用的氫鍵數目增加，有利于親水基団更多更快的吸附水分子。另一方面，水分子的進入會使吸水性樹脂中可解離基團離子化，產生的Na+離子進入體系內部會使內部離子濃度增大，產生滲透壓，促使水分子更多的進入體系內部。同時，由于吸水樹脂聚合物鏈上所荷離子基團對可移動Na+離子有吸引作用，故滲透壓得以保持，直至體系內外滲透壓達到平衡，此時復合材料吸水膨脹率達到最大。

3 結論

(1)力學性能：PAAS用量(0份～60份)增加，PAAS/CR復合材料拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率、回彈性呈現下降趨勢，硬度呈現上升趨勢。

(2)吸水性能：PAAS用量(0份～60份)增加，時間的延長，PAAS/CR復合材料吸水膨脹率呈上升趨勢，且達到一定時間后，吸水膨脹率趨于平緩。