吸水膨胀橡胶简介

吸水膨胀橡胶（WSR）是一种新型特种橡胶，由亲水组分（或亲水基团）与橡胶基体通过物理共混或化学接枝进行制备，吸水后其体积和质量可成倍数膨胀。因具有弹性止水和膨胀止水双重止水功能，被誉为“超级密封材料”。 其广泛用作土木建筑的止水材料、密封材料、填料等。橡胶的高弹性和较好的机械强度，使得橡胶在吸水后可膨胀几至几百倍，可以克服橡胶材料因永久形变、蠕变和嵌接材料的固化收缩等带来的止水失效缺陷。其作用机理是当橡胶与水接触时，水分子不断地通过扩散、毛细及表面吸附等物理作用进入吸水膨胀胶内，与橡胶中的亲水性基团形成极强的亲和力，使橡胶发生膨胀形变，当抵抗形变的应力和渗透压差达到平衡时，吸水膨胀橡胶持相对稳定的止水和堵漏的效果。

1.WSR的吸水膨胀原理

WSR的吸水作用主要来源于添加的亲水组分或接枝的亲水基团。当WSR与水接触时，水分子通过胶体表面吸附和毛细吸附等作用扩散进入胶体中；进入橡胶内的水分子与亲水组分或亲水基团形成极强的作用力，水被保留在橡胶中使得胶体发生膨胀变形同时橡胶的弹性收缩力也在增加，进而形成的渗透压差使得外部的水分子进一步向橡胶内渗透。当渗透压差与胶体自身的抗变形力相等时，吸水达到平衡，此时橡胶的膨胀程度被视为静水最大膨胀率，通常认为这个过程是受水分子的扩散和橡胶分子链断的松弛作用。如果遇水膨胀橡胶在封闭条件下使用，遇水后膨胀率并不能达到其静水最大膨胀率，因此就产生了膨胀橡胶与约束体间的接触压力。依靠这种接触压力，遇水膨胀橡胶就可以发挥其密封止水的作用。

2.WSR的分类

从硫化角度可分为非硫化型吸水膨胀橡胶和硫化型吸水膨胀橡胶；按亲水组分可分为聚丙烯酸类、马来酸酐接枝物、改性高纳基膨润土、白炭黑与聚乙二醇、亲水性聚氨酯预聚体等多种；按吸水后的膨胀程度可分为低膨胀率（50%~200%）、中膨胀率（200%~350%）、高膨胀率（＞350%）三种；按制备方法可分为物理共混和化学接枝。

3.接枝型WSR的制备

与物理共混法相比，通过化学接枝法制备的吸水膨胀弹性体具有微观相容性好、强度高、反复性能好等优点。但接枝反应困难，工艺繁琐。由于材料的膨胀率高低取决于亲水基团或亲水链段的多少，很难进行工业化生产，所以目前WSR的工业生产都是以共混型为主。

4.共混型WSR的制备

物理共混又可分为机械共混和乳液共混两种方法。机械共混法是先将橡胶在炼胶机上塑炼至生胶包辊，再加入各种助剂和吸水组分混炼，使得吸水组分宏观均匀的分散在橡胶中，最后将混炼胶进行硫化。乳液共混法是将橡胶基体、相应的各种助剂和吸水组分在搅拌器中搅拌均匀后真空脱水、熟成、注模硫化，所得的制品较机械共混法分散性和均一性更高，且具有较小的微区尺寸。

应用于不同工况环境的WSR有不同的性能要求（耐高温、耐油性、耐老化、阻燃性、高强度等），橡胶基体的弹性等力学性能决定了WSR的物理性能，而亲水组分或亲水基团（亲水链段）决定了WSR的吸水膨胀性能。在既定基体和亲水组分的基础上，加入各种添加剂（增强剂、阻燃剂、防老化剂等）可以改善WSR的各项性能或赋予WSR一些特殊性能。因此，基体、亲水组分以及添加剂是WSR性能的主要影响因素。

5.WSR的基体

目前，应用于制备WSR的橡胶基体主要是氯丁橡胶（CR）、天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、丁腈橡胶（NBR）、三元乙丙橡胶（EPDM）等，也有报道用氯化聚乙烯（CPE）和聚氯乙烯（PVC）作为基体或是按一定比例混合的两种橡胶作为基体。对于基体的选择主要从物理机械性能、特种橡胶的特性、与亲水组分的相容性等几个方面考虑。例如NR具有优异的物理机械性能，但与亲水组分相容性差膨胀率低；而高耐油性、强极性的NBR与亲水组分相容性好；EPDM具有较好的拉伸性能和耐老化性能。

6.亲水组分

吸水膨胀材料的吸水膨胀性能来源于亲水组分，通过上述的吸水原理才可达到膨胀止水的功能。对亲水组分的选择主要要求吸水率高、保水性好、耐热并与基体相容性好。高吸水树脂的种类繁多，目前研究主要有淀粉类、纤维素类以及合成类高吸水树脂。这三类高吸水树脂的性能对比如下表：

目前生产中常用的吸水性树脂有以下几种。

①淀粉类如淀粉-丙烯腈接枝聚合物的皂化物、淀粉-丙烯酸的接枝聚合物等。

②纤维素类如纤维素-丙烯腈接枝聚合物、羧甲基纤维素交联产物等。

③聚乙烯醇类如聚乙烯醇的交联产物、丙烯腈-乙酸乙烯酯共聚物的皂化产物等。

④丙烯酸类如聚丙烯酸盐（主要是钠盐）（PNaAA）、甲基丙烯酸甲酯-乙酸乙烯酯共聚物的皂化产物等。

⑤聚亚烷基醚类如聚乙烯醇与二丙烯酯交联的产物等。

⑥马来酸酐类如异丁烯-马来酸酐的交替共聚物，阴离型聚丙烯酰胺（PHPAM-1）等。

众所周知，不同的吸水树脂的吸水原理是不同的，因而合成树脂的单体组成是对材料吸水性能主要影响因素。除此外，单体聚合的方法以及选用的交联剂也是重要的影响因素。

7.增容剂

物理共混法工艺简单、设备要求低、吸水膨胀率高等特点，易于工业化生产。但常用的吸水树脂极性很强凝聚力大，在橡胶基体中分散不均匀，浸水后容易脱离基体到周围介质中，使得失重率很高，不利于反复使用。因此需加入增粘树脂、粘合剂或增容剂等助剂来改善吸水树脂的分散性并提高和橡胶基体间的相容性，继而提高WSR的各种性能。当然，选择与基体相容性好的亲水组分也很有必要。增容剂的分子链上通常都带有与基体或吸水树脂相同的链段或可与之反应的官能团，而一些两亲性增容剂则是在基体的分子链上接枝与吸水树脂有相同结构特征的链段。此外，表面活性剂也是一类增容剂。增容剂主要起桥接作用，建立基体和亲水组分之间的联系，降低相界面张力，使共混组分相容性变好。

8.补强剂

随着吸水膨胀橡胶的应用越来越广泛，相应的对WSR性能的要求也越来越高。在一些大型工程存在的如工程变形缝、水坝嵌缝和施工缝等密封堵漏问题上，要求使用的WSR具有一定的强度，特别是吸水膨胀后的强度。而目前已知橡胶基体的强度都较低，而以PVC等树脂为基体的WSR又存在吸水慢、膨胀低、基体弹性差的不足难以实现膨胀堵水的效果。当WSR吸水膨胀后，水具有增塑剂的作用使得材料的强度变得更低。因此需要加入高强度的无机填料如炭黑、白炭黑、粘土等作为补强剂（增强剂），不仅可以提高材料的强度还可以降低成本。近年来，纳米材料的研究应用已遍布各个领域。应用于橡胶工业的纳米材料通常是指纳米填料，由于其小尺寸效应和表面效应减小了粒子间的距离，增强了粒子间的相互作用，继而表现出良好的补强效果。

由于炭黑的污染性，不进行表面改性的白炭黑与橡胶相互作用弱且填充白炭黑的橡胶固化时间长，。粘土粒径较大和表面活性低使其增强效果很差，所以通常粘土都会进行有机改性处理，以扩大粘土的层间距甚至是成为剥离型结构。