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橡胶与塑料并用技术

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 点击:
当今材料已成为人们生活不可或缺的一类重要材料。但是,随着现代科学技术的不断发展,对橡胶材料的性能提出了日益广泛和苛刻的要求。以橡胶与塑胶并用的弹性体的研究日益引起重视,本文着重以橡胶为主并用部分塑胶进行共混形成的弹性体的性能予以介绍。

橡塑并用混溶性原则

谈到橡塑并用材料的性能,必须提及聚合物的共混。橡胶和塑胶的共混是有条件的,并不是任意一种橡胶和任意一种塑胶都能够进行共混,橡胶与塑胶共混体的性能取决於共混体的形态结构,而形态结构受橡胶与塑胶组分之间热力学的相容性,以及实施共混的方法和工艺条件等方面的影响。

在讨论共混体形态结构的各类文献中,常出现“相容性”、“混溶性”等不同的提法,一般以“相容性”表示热力学的相互溶解,以“混溶性”表徵是否获得比较均匀和稳定的形态结构的共混体系,而不论共混体系是否热力学相互溶解。因此,即使热力学不相容的共混体,依靠外界条件实现了强制的良好的分散混合,得到力学性能优良的橡塑共混体,就可谓之混溶性好。

正因为橡塑能遵照混溶性好这一原则,实现橡胶与塑胶的并用,才会有相互性能之间的互补,从而提高弹性体的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性和模量等性能,同时也可以降低扯断伸长率和回弹性等性能。例如,在橡胶中并用高苯乙烯树脂、改性酚醛树脂、三聚氰胺树脂等可提高强度;在二烯类橡胶中并用聚氯乙烯塑胶可提高耐臭氧龟裂性;在丁基橡胶中并用聚乙烯可提高绝缘性等。

橡塑共混的方法

实施橡塑共混的方法有乾粉共混、溶液共混、乳液共混和机械共混。而综合考虑到各种条件和成本,橡胶制品厂多采用机械共混工艺。

机械共混可分为一段法和二段法。一段法是先将热塑性塑胶在密炼机或高温开炼机上熔融塑化,然後降温,再加入橡胶,翻炼、混炼均匀後下片。二段法也称母料共混法,即先将塑胶与部分橡胶在密炼机中按比例共混成母炼胶,然後再在较低温度下混入橡胶。二段法的优点是两相分散更均匀。

机械共混的原动力来自提供的机械搅拌和剪切作用。机械共混是机械力作用下的体系均化过程,通常认为该均化过程包括体系各组分的物理混合与分散,但实际上,机械共混过程中的机械力除了为组分的混合与分散提供能量外,还会引发组分间的力化学反应,该反应对橡胶与塑胶的并用性能有重要影响。

橡塑共混设备主要包括高温开炼机、密炼机、螺杆挤出机和连续混炼机。连续混炼机分为密炼挤出组合式和转子螺杆组合式两种形式。高温开炼机和密炼机为间歇式混炼设备,螺杆挤出机和连续混炼机为连续式混炼设备。连续混炼机结合了密炼机和螺杆挤出机的优点,生产效率高,将成为今後最主要的共混设备。

橡塑共混的其他考虑因素

虽然了解了橡塑并用的混溶性原则及橡塑共混的方法,但根据人们多年来在共混领域的实践,橡塑共混还需考虑以下因素:

1. 溶解度参数。每种高分子材料都有反映其分子间力的溶解度参数δ,两种聚合物共混,应尽可能选择溶解度参数差值Δδ小,但又大於0,因为Δδ越小共混效果越好,而差值小到0的话,则不存在两相,也就失去了共混的意义。

2. 极性。选择橡塑并用时,传统的做法是优先考虑极性相近,避免使用极性悬殊的两种聚合物,但随着增容技术的出现,这方面的考虑可以有所减轻。

3. 粘度。粘度是高分子材料平均分子量的表徵,粘度越小,混合熵就越小,导致分散均匀度越高,微区尺寸越小。

4. 温度。温度对橡塑共混特别重要,因为塑胶在常温下处於结晶态,只有当温度达到一定程度时,才能解除结晶,进入共混。至於具体的温度值,则视品种而定。如PVC的熔融温度为150℃,只有当塑胶熔融後才能进入良好的共混状态,否则效果很差。

增容技术填补不足

大多数橡塑并用属於热力学不相容,虽然黏度大,但他们仍处於热力学稳定状态,如果溶解度参数和结构差异很大,光靠机械共混难以使系统保持稳定。增容技术的发展正好填补了这方面的不足。

增容技术的方法有:

1. 添加增容剂。就是添加改善橡塑并用体系相容性的增容助剂,其作用是降低两相的表面张力,使两个聚合物的链段在介面处被启动而结合。例如丁腈橡胶是极性橡胶,聚丙烯是非极性塑胶,单靠机械混合很难使他们均匀共混。如果有增容剂加入则使之共混得以实现。

2. 就地聚合。以单体或初级聚合物作为一种组分,把它加入另一组分,通过共混得到共聚物。例如在NR中加入甲基丙烯酸甲酯单体,通过共混获得强度很高的共聚物-天甲橡胶。

3. 共交联。加入两相都接受的交联剂,使共混介面的结合牢度通过共交联进一步改善共混交的性能。典型例子就是将DCP加入NR/EVA共混体中,通过共交联提高抗压缩永久变形性能。

成功应用案例

近年来,通过以上理论成功应用於实际生产中的例子很多,如:

1. 橡胶与高苯乙烯聚合物并用的应用:高苯乙烯聚合物与橡胶并用後,可以赋予硫化胶许多宝贵的性能,诸如提高橡胶的硬度、刚度、抗张强度、抗撕裂强度及耐磨性等。这类并用组分最广泛地用来制造各种鞋底胶。这是由於鞋底胶加入高苯乙烯树脂後,不仅提高其物理性能,而且还赋予其许多独特的“类似皮革”的性能。另外,鞋底的耐磨耗性也显着提高。

2. 橡胶与聚乙烯并用的应用:聚乙烯应用最广的是与丁基橡胶并用,用於制造的内胎、胎体和胎侧。特别是内胎胶,可以用聚乙烯代替丁基橡胶中的部分炭黑,以提高硫化胶的弹性,而保持其余的性能指标。

3. 橡胶与聚氯乙烯并用的应用:丁腈橡胶与聚氯乙烯的掺合物广泛用於制造耐大气作用的硫化胶。随着并用胶中聚氯乙烯含量的增加,耐臭氧性也提高了。而且在聚氯乙烯含量为20%~30%时,龟裂即不再发生。这些材料常用於各种技术领域,如制造电缆及输送油、石油产品、气态烃乃至臭氧的各种管子,也可以生产在接触石油产品和化学药品条件下使用的密封圈及衬垫。

衍生理论及工艺

橡塑并用已广泛应用於实际生产中,并且在工艺方面也有了很大程度的提高,而且由橡塑并用产生、分支出来的一些理论及工艺也成为了近年来研究的一些新热点。

1. 动态硫化。上世纪七十年代末八十年代初,热塑性弹性体的制备跳出传统的合成途径,另辟蹊径,采用橡胶与聚烯烃塑胶通过熔融共混来制备热塑性弹性体(TPE)。

该方法不但简便,而且成本低廉,所得的产品被誉为新型高分子合金。这种热塑性弹性体以热塑性树脂为主体组分,在热熔状态加入弹性体。两相在高温/剪切作用下混合均匀後,作为分散相的橡胶组分均匀分散在塑胶连续相中,并就地硫化。这样得到的TPE既有热塑性树脂的易加工性,又具有橡胶的力学性能。以橡胶的现有设备完全可以自行完成这类动态硫化热塑性弹性体的加工。近年来,动态硫化共混在国外已实现了工业化生产和商品化供应。国内不少大专院校与科研单位也在积极从事研发工作。

2. 互穿网络(IPN)。这是指使两个相互贯穿的聚合物交联网络。可先将一单体与交联剂作用,生成网络1,再使第二种单体及交联剂在其中溶胀,并引发聚合生成网络2,然後由两个网络互相贯穿,形成互穿网络共混体。它们的微区尺寸系根据两种网络的相容程度而定。互穿网络形成於两相的介面。交联密度越大,则微区尺寸越小。待两种网络完全互容,可得到理想的共混效果,能在性能上反映出非同一般的双重协同效应,即对橡胶相起补强作用,而对塑胶相增韧。

橡胶与塑胶并用制造橡胶制品,是当前橡胶工业生产的重要发展方向之一。橡塑共混後,不仅改变了单一材料这样那样的缺点,而且显着提高了橡胶制品的物理化学性质及物理机械性能。随着科学的发展,人们必然会越来越多地研制开发新型,通过不同材料的取长补短,使复合材料具有优良的综合性能和合理的使用性,以满足客观实际的需求。相信21世纪将是复合材料的时代,橡塑并用也必然会取得更大的发展。 (end)

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