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生胶介绍:从基本原料到性能分析

时间:2023-06-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:通常是指市售的固体橡胶,它是制造橡胶制品的最基本原料,也称为原料橡胶,包括天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶。天然橡胶的生胶强度可达1.4~2.5MPa,同样是聚异戊二烯的异戊橡胶,其生胶强度没有天然橡胶高。表6-1生胶在不同温度下的拉伸强度和扯断伸长率天然橡胶为非极性大分子,具有优良的介电性能,同时也使它的耐油耐溶剂性差。丁苯橡胶呈浅褐色,密度随高聚物中苯乙烯含量的增加而增大,为0.92~0.95g/cm3。

生胶介绍:从基本原料到性能分析

通常是指市售的固体橡胶,它是制造橡胶制品的最基本原料,也称为原料橡胶,包括天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶。

1.天然橡胶

天然橡胶是橡胶工业中最早应用的橡胶,20世纪30年代以前,橡胶工业消耗的原料橡胶几乎全是天然橡胶。由于天然橡胶综合性能优异,所以它是一种重要的战略物资和经济物质,20世纪60年代以来,天然橡胶与合成橡胶形成并驾齐驱的发展局面。

(1)天然橡胶的来源。天然橡胶主要取自热带及亚热带栽培的三叶橡胶树,这种橡胶树原产于南美巴西亚马孙河流域,故也称巴西橡胶树。它是高10~30m、径粗15~35cm的多年生常绿乔木。19世纪从南美洲移植到马来西亚、印度尼西亚及斯里兰卡等地栽培种植。中华人民共和国成立前由华侨移种到海南岛,现在我国的广东、广西、云南、福建、台湾等地均能种植橡胶树。

橡胶树种植后,经过5—6年可开始割胶,每棵橡胶树每月割胶约18次,每次流出胶乳200mL,平均每年产干胶4kg左右。从橡胶树上采集的白色乳液称为乳胶,经过凝固、干燥等加工工序而成为固体天然橡胶。

(2)天然橡胶的组成。天然橡胶是以异戊二烯为单元链节,以共价键结合而成的长链分子,其化学结构式:

相对分子质量在10×104~180×104,平均分子量在40×104~70×104的居多。

天然橡胶大分子在空间的排列位置有顺、反两种异构体:即顺式-1,4结构和反式-1,4结构。以天然三叶橡胶为代表的顺式-1,4结构,在室温下具有弹性及柔软性;以杜仲橡胶为代表的反式-1,4结构在室温下无弹性,可作为塑料使用,这种差别主要是由于它们的立体结构不同造成的。

(3)天然橡胶的特性及应用。

天然橡胶的密度为0.91~0.93g/cm3,能溶于苯、汽油中。天然橡胶受热时逐渐变软,在130℃~140℃下软化,150℃~160℃下变黏,200℃左右开始分解,270℃急剧分解。天然橡胶的玻璃化温度为-71℃,在此温度下呈玻璃态。将天然橡胶冷却至一定温度或将其进行拉伸,可使橡胶部分结晶,天然橡胶在-26℃时的结晶速率最大。

天然橡胶生胶及交联密度不太高的硫化胶的弹性较高,例如在0℃~100℃的范围内其回弹值在50%~85%。天然橡胶的弹性在通用橡胶中仅次于聚丁二烯橡胶。其高弹性的原因有三方面:第一,天然橡胶大分子链本身有较高的柔性,其主链是不饱和的,虽双键本身不能旋转,但与它相连的单键内旋转比较容易;第二,天然橡胶分子链上的侧甲基体积不大,而且每4个主链碳原子上才有一个,不密集,因此它对主链旋转的影响较小;第三,天然橡胶为非极性物质,大分子间相互作用力较小,内聚能密度仅为266.2MJ/m3,分子间作用力对大分子链内旋转约束与阻碍不大,因此天然橡胶的弹性较大。

天然橡胶的生胶、混炼胶和硫化胶的强度都比较高。未硫化橡胶的拉伸强度称为生胶强度,适当的生胶强度对于橡胶加工成型是必要的。例如,轮胎成型中上胎面胶时,胎面胶毛坯必须受到较大的拉伸,若胎面胶生胶强度低就易变形,会使成型无法顺利进行。天然橡胶的生胶强度可达1.4~2.5MPa,同样是聚异戊二烯的异戊橡胶,其生胶强度没有天然橡胶高。纯天然橡胶硫化胶的拉伸强度为17~25MPa,用炭黑补强后可达25~35MPa。无论是生胶还是硫化胶,其拉伸强度都随温度上升而下降,详见表6-1。

表6-1 生胶在不同温度下的拉伸强度和扯断伸长率

天然橡胶为非极性大分子,具有优良的介电性能,同时也使它的耐油耐溶剂性差。因天然橡胶分子结构中含有不饱和双键,易进行氧化、加成等反应,所以耐老化性能不佳。

天然橡胶是最好的通用橡胶,用途广泛,是制造轮胎等工农业橡胶制品的主要原料,也是制造电器用品等高级橡胶制品的重要原料。

2.合成橡胶

合成橡胶可分为通用合成橡胶与特种合成橡胶两类,凡性能与天然橡胶相近、物理-力学性能和加工性能较好,且能广泛用于轮胎和其他一般橡胶制品的橡胶称为通用合成橡胶;凡是具有特殊性能、专供耐热、耐寒、耐化学物质腐蚀、耐溶剂及耐辐射等特定场合使用的橡胶称为特种合成橡胶,但两者并无严格的界限。一般认为通用合成橡胶是丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶,特种合成橡胶是丁基橡胶、丁睛橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氯醇橡胶、聚氨酯橡胶、丙烯酸橡胶、聚硫橡胶、氯磺化聚乙烯及醇烯橡胶等。

(1)聚异戊二烯橡胶。聚异戊二烯橡胶简称异戊橡胶,因其化学组成是聚异戊二烯,分子结构与天然橡胶相同,所以也叫作合成天然橡胶。

异戊橡胶在结构上与天然橡胶不同的是顺式-1,4结构含量高达97%,且呈有规立构,而3,4结构含量仅为1%多一点。此外,异戊橡胶因是合成物质,所以凝胶含量低,非橡胶成分含量少,质量均匀。因此容易塑料,不易焦烧。

异戊橡胶的物理-力学性能与天然橡胶基本相同,但其耐屈挠龟裂性、生热性、吸水性及耐老化性能等均优于天然橡胶;而强度、硬度等却比天然橡胶略低;此外,目前价格高于天然橡胶。(www.zuozong.com)

(2)丁苯橡胶。丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯的共聚物。是目前合成橡胶中产量和消耗最大的通用合成橡胶,它可通过乳液聚合或溶液聚合方法制得,即乳聚丁苯橡胶和溶聚丁苯橡胶。

由乳液聚合得到的乳聚丁苯橡胶的结构如下:

在该大分子内,苯乙烯与丁二烯的排列方式是无规的,丁二烯部分的微观结构也不具有立构规整性。由于其结构的不规则性,故没有结晶的特性。共聚物中丁二烯的键合有反式-1,4结构、顺式-1,4结构及1,2结构,各结构的含量受聚合条件(如温度)的影响,一般以反式-1,4结构的含量最高,60%~70%。

由溶液聚合得到的溶聚丁苯橡胶根据聚合条件及所用催化剂的不同,可分为无规型、嵌段型和星型。无规型溶聚丁苯橡胶与乳聚丁苯橡胶的结构性能相似,后两者则具有热塑性,如典型的热塑性弹性体SBS。

丁苯橡胶呈浅褐色,密度随高聚物中苯乙烯含量的增加而增大,为0.92~0.95g/cm3。其他物理性能也可通过苯乙烯单体的含量进行调节。丁苯橡胶含不饱和双键,容易硫化,且硫化曲线平坦,焦烧时间长,操作安全。丁苯橡胶耐磨性较天然橡胶好,但抗撕裂强度较低,耐屈挠龟裂性能也较差。虽然光对丁苯橡胶的老化作用不明显,但臭氧对丁苯橡胶的作用比天然橡胶显著,需加入耐臭氧防老化剂和石蜡加以防护。

总的来说,丁苯橡胶由于生产成本低廉及良好的综合性能,且能与天然橡胶并用,长期以来一直是主要的通用合成橡胶,主要用于充气轮胎,还可用于胶鞋、胶带、胶管、胶辊、胶布等普通工业用品。

(3)聚丁二烯橡胶。聚丁二烯橡胶是一种通用合成橡胶,其消耗量仅次于丁苯橡胶和天然橡胶,居第三位。

聚丁二烯橡胶是以丁二烯单体为主要原料,以苯或己烷等为溶剂,采用定向聚合催化剂由溶液聚合法制成的顺式-1,4结构高达96%~98%的聚合物,但也有部分采用乳液聚合法,则生成顺式-1,4结构含量为10%~20%的无规聚合物。顺式-1,4结构聚丁二烯橡胶简称为顺丁橡胶。它具有典型的橡胶特性。

聚丁二烯的化学组成可表示如下:

有顺、反两种结构形成,即

此外,还有一定数量的1,2结构。

聚丁二烯橡胶回弹性非常高,动态生热小,耐磨耗性优异;不需塑炼,压出性能好,也适用于注射成型;但聚丁二烯橡胶强度低,特别是纯胶强度更低,必须加入补强剂。聚丁二烯橡胶常与丁苯橡胶或天然橡胶并用,以补偿其本身的不足。

(4)丁睛橡胶。丁睛橡胶是由丁二烯和丙烯睛经乳液聚合制得的无规共聚物,分子结构可表示如下:

丁睛橡胶由于在分子中引入丙烯睛,所以具有优异的耐油性,随着丙烯睛含量的增加,强度、硬度、耐磨耗性、耐热老化性及耐化学药品性均提高,但回弹性及耐寒性等降低。丁睛橡胶主要用于制作油封、垫圈、耐油胶管、输送带等。

还有其他用量较多的合成橡胶,如氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶等,可参阅其他书籍。

3.再生胶

再生橡胶是指废旧硫化橡胶经过粉碎、加热、机械处理等物理化学过程,使其从弹性状态变成具有塑性和黏性的能够再硫化的橡胶,简称再生胶。

再生胶生产已有100多年的历史,但再生机理尚未完全建立起来。再生胶生产的主要反应过程是“脱硫”。“脱硫”一词原是指从硫化橡胶中把结合的硫去掉而成为未硫化状态,也即是一个与硫化相反的解聚作用,实际上并不能使硫化橡胶中结合的硫与橡胶大分子分离,也不能使硫化胶复原到生胶的结构状态。所以,现在认为硫化胶塑性的恢复,需要破坏空间交联的结构,其能量的来源是热、机械作用和化学助剂的塑解作用。

使用再生胶的优点是既可降低成本,又能获得良好的加工性能和满意的物理-力学性能。因为再生胶混炼、压出、压延等生热比纯胶胶料低,硫化速度快,不易焦烧,耐老化性和耐酸碱性好;但其相对分子质量较小、强度低、不耐磨、不耐撕裂等。因此,它不能用来制造物理-力学性能要求很高的制品,如汽车轮胎胎面胶和内胎就不能使用再生胶。但对大多数物理-力学性能要求不是很高的制品,均可掺用再生胶。主要应用包括胶鞋生产中的海绵胶、鞋底和鞋后跟;轮胎工业中,再生胶主要用于制造垫带;橡胶胶版,例如汽车上的地板胶垫和房屋内的橡胶地毯等都大量消耗再生胶;还有胶管、胶带和各种压出制品和模型制品,汽车用橡胶零件等。

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