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(chǎn)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(shù)倍[3-4]，這種特性使其在有效的體積膨脹范圍內(nèi)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(yè)生產(chǎn)、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(zhì)(如吸水樹脂)組成[10]。橡膠基材通常會選用力學性能較好、結(jié)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(zhì)，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(guī)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(yè)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(lián)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(zhuǎn)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(mào)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(jié)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(shù)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(shù)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(zhì)，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(guī)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(shù)增加，復合材料的撕裂強度呈下降趨勢。當PAAS份數(shù)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(xiàn)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(zhì)，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(xiàn)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(shù)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(shù)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(chǎn)生的Na+離子進入體系內(nèi)部會使內(nèi)部離子濃度增大，產(chǎn)生滲透壓，促使水分子更多的進入體系內(nèi)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(nèi)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(jié)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(xiàn)下降趨勢，硬度呈現(xiàn)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。