丁苯橡胶拉伸强度的影响因素及改良意见

江羿锋

丁苯橡胶（SBR）是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而成的合成橡胶，因其力学性能、加工性能和制品的广泛适应性接近于天然橡胶（NR），并在耐磨性、耐候性、耐热老化性等方面优于NR，已成为目前世界上产量最高、市场最大的合成橡胶品种，年消费量占合成橡胶总量的近40%。所以业内对SBR的改良，特别是在提高拉伸强度方面进行了孜孜不倦的探索，以期加强这一性能短板，进一步拓宽SBR的应用空间，提升产品性能，而进行相关研究的关键就是明确SBR拉伸强度的影响因素。

1　结合苯乙烯含量

一般对于高分子材料而言，相对分子质量增加，范德华力增大，可以提升材料的内聚力，使得分子链段更为稳固，提高拉伸强度；同时分子链上的极性和刚性基团也可以提高分子间作用力的方式增强拉伸强度。对于SBR而言，苯乙烯在其中就起到了刚性基团的作用，所以提高SBR的结合苯乙烯含量可以增加其拉伸强度。然而在关于苯乙烯含量和SBR拉伸强度的实验中我们发现当苯乙烯含量达到28%时拉伸强度最大，之后拉伸强度开始逐渐减小。原因在于苯乙烯不能为SBR分子链提供硫化双键，所以当苯乙烯的含量过高时，刚性基团对于拉伸强度积极作用开始弱于影响分子链硫化交联对拉伸强度的消极作用，拉伸强度开始下降。

2　门尼黏度

门尼黏度是反应橡胶硫化程度的重要指标，橡胶分子链之间的硫化交联程度越高，门尼黏度也就越高，同时，体型网状结构开始形成，橡胶的相对分子质量也就越高。实验结果证明，门尼黏度不仅与相对分子质量成正比关系，同时也与SBR的拉伸强度呈正向分布，原因在于随着相对分子质量的增大，高分子材料的分子间作用力也随之增大，进而使拉伸强度获得强化，试验证明，当丁苯橡胶的门尼黏度从39.3提高到65.9时，拉伸强度从28.4MPa提升到了31.5MPa，提升幅度为10.9%。

3　原料的纯度

SBR的主要原料是丁二烯和苯乙烯，在聚合生产过程中两种原料的反应转化率为70%左右，即有30%左右的原料没有参加聚合反应，而是经过单体回收工序循环使用，与新鲜原料按一定比例混合进入聚合釜参加反应。经过回收工序后，丁二烯原料中所聚集的杂质主要包括丁二烯的低聚体、同分异构体、乙腈，以及一些炔烃等，而对聚合反应影响比较大的是乙烯基乙炔和丁二烯的二聚体，乙烯基乙炔在单体中含量达到0.015%时就会对产品的性能产生明显的影响，而当其含量达到2%时，可使硫化胶的拉伸强度降低75%，丁二烯二聚体是一种阻聚剂，对产品的相对分子质量和门尼黏度都会产生不利的影响，当其含量达到0.2%时会使聚合时间延长10%，达到0.5%时则会使产品的门尼黏度降低10个单位。而苯乙烯中对聚合反应影响比较大的杂质是二乙烯基苯和一些含氧化合物，二乙烯基苯含量达到1%时会使产品中产生32%的凝胶，而含氧化合物则会延缓聚合反应的进行，导致产品的相对分子质量偏低。因此在一个开车周期中原料的纯度必然处于逐渐下降的趋势，以兰州石化15万吨/年乳聚丁苯橡胶装置为例，该装置进入聚合釜的丁二烯质量分数在为期一年的生产周期刚开车时为98.24%，到停车前其质量分数降为96.61%，苯乙烯的质量分数则从99.08%降为97.83%，与之相对应的拉伸强度则从开车时的27.86MPa降至停车时的26.89MPa，降幅为3.5%，对产品的性能造成了不利的影响。

4　纳米碳酸钙对S B R拉伸强度的改良

纳米碳酸钙加入到其他材料中后能产生优良的量子效应、小尺寸效应、表面相应等积极的改良效果，因此被广泛应用于高分子材料的改性和补强。将纳米碳酸钙填充加入SBR后，发现纳米碳酸钙对SBR拉伸强度的增强效果不仅与纳米碳酸钙的填充量有关，而且还与其粒径有关，当填充量低于75份时，粒径为45 nm的纳米碳酸钙能实现比较好的增强效果，而当填充量为75～125份之间时，粒径为30 nm的纳米碳酸钙的增强效果较好，而处于这一区间时，45nm的纳米碳酸钙的增强效果开始下降，超过125份时，30nm的纳米碳酸钙的增强效果也开始下降。时通过对断截面的SEM扫描，发现填充量小于75份时30 nm的纳米碳酸钙反而在胶体中难以分散，出现了较为严重的团聚现象，之后随着填充量的增加，团聚现象随之消散，而当填充量大于100份时，45 nm的纳米碳酸钙在SBR基体中以较小的团聚体形态存在，甚至裸露在基体表面，界面结合程度大大下降，力学性能也随之减弱。

5　结语

拉伸强度作为对SBR性能评价的重要指标，一直被市场所看重，而在生产加工过程中，这一指标受到了很多因素的影响，其中包括结合苯乙烯含量、门尼黏度、原料的纯度，以及填料。结合苯乙烯含量对SBR的拉伸强度而言是一把双刃剑，达到峰值后反而会产生负面影响；在试验范围内门尼黏度与SBR拉伸强度一直呈现为正相关；而考虑到设备投资、生产成本等因素，原料的纯度对这一性能的影响也不大；使用纳米碳酸钙等填料对SBR补强则能实现最为显著的效果。

参考文献：

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