吸水性膨胀橡胶文献综述

吸水性膨胀橡胶文献综述

吸水膨胀橡胶；制备方法；增容作用；应用；综述

第1章概述

1.1 吸水膨胀橡胶出现的背景

遇水膨胀橡胶主要由橡胶和吸水树脂及其它助剂混合经硫化制成，是具有弹性防水密封和遇水膨胀、以水止水的双重防水性能的高分子材料。而传统的密封防水材料只靠材料的弹性发挥止水功能。而且组装时橡胶易受挤压、拉伸而断裂，橡胶经过长时间的压缩疲劳，弹性恢复力差，导致防水可靠性降低。采用遇水膨胀橡胶后，改善了施工方法提高了施工效率和防水可靠性。遇水膨胀橡胶在隧道工程、地下工程、水坝嵌缝的密封防水方面有着广泛的应用。

1.2 吸水膨胀橡胶的分类

吸水膨胀橡胶可以从多个角度来分类，按橡胶是否硫化可分为制品型和腻子型[5]；按其制备方法可分为机械共混型和化学接枝型；按制造吸水膨胀橡胶所用吸水膨胀剂来分，则有改性高钠基膨润土，白炭黑与聚乙烯醇，马来酸酸酐接枝物，亲水性聚氨酯预聚体，聚丙烯酸类（含聚丙烯酸，聚丙烯酸盐，聚丙烯酰胺及丙烯酸改性物）；另外，按其性能还可分为高膨胀率（350%）、中膨胀率（200%－350%）、低膨胀率（50%－200%）等类型。按膨胀速率分，则有速膨胀型、缓膨胀型；也可按材料膨胀后的形态分为离散型与非离散型；按膨胀止水材料的规格型式分为：纸板、毡状膜板、复合防水膜板、硫化膨胀橡胶类密封垫（包括与非膨胀橡胶复合型）、止水条（或止水圈）；还有衬入不锈钢网线或加设（包入）合成纤维层止水条等定型类材料；腻子条（片）、灌注密封胶等非定型类材料[6]。

1.3 吸水膨胀橡胶的密封机理

橡胶主要由高聚合度的碳、氢链节构成，本身是疏水性物质。如果橡胶中存在亲水性物质或基团，遇水后就会因吸水而膨胀。使其具有遇水膨胀性，通常有两种途径：一种为物理共混法，将吸水性材料通过适当的混炼工艺均匀地分散在橡胶中：另一种为化学接枝改性法，使亲水性链段或基团接枝到橡胶大分子上。无论哪种方法制成的遇水膨胀橡胶，当遇水膨胀橡胶与水接触时，水分子通过扩散、毛细及表面吸附等物理作用进入橡胶内，与橡胶中的亲水性基团（物质）形成极强的亲和力。亲水性物质不断吸收水分，致使橡胶发生形变，在橡胶自身抗形变力和渗透压差相当时，测得的膨胀率即为静水最大膨胀率。通常遇水膨胀橡

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。

1.4 吸水膨胀橡胶的吸水机理

吸水膨胀橡胶主要是由弹性体和亲水性物质（如吸水树脂或膨润土）组成的多组分体系。由于橡胶本身是疏水性材料，但当其中亲水性物质与水接触时，水分子通过扩散、毛细及表面吸附等物理作用进入橡胶内，与橡胶中的亲水性基团形成极强的亲和力；橡胶中的亲水性物质被进入的水溶解或溶胀，在橡胶内外形成渗透压差，这种压差对于水向橡胶内部渗透具有促进作用。亲水性物质不断吸收水分，致使橡胶发生形变。当橡胶自身抗形变力和渗透压差相当时，达到平衡，即静水最大膨胀率，吸水膨胀作用保持相对稳定，吸水膨胀橡胶即达到了稳定状态[7]。在具体应用中，吸水膨胀橡胶在封闭条件下使用，吸水后膨胀率并不能达到静水最大膨胀率，因此产生了膨胀橡胶与约束体间的接触压力，依靠这种接触压力吸水膨胀橡胶就可以发挥其密封止水的作用。

吸水组分是赋予吸水膨胀橡胶吸水性能的关键，其类型及用量对橡胶吸水膨胀性能有重要影响；橡胶是吸水膨胀橡胶的基质，弹性和强度影响体系力学性能；而橡胶与吸水组分的界面相容性影响吸水树脂在橡胶中的分散与亲合程度，从而影响体系的吸水膨胀性能、力学性能及耐用性。故合理选择橡胶、亲水组分、增容剂及其相互间的适当配合对制备高性能的吸水膨胀橡胶很关键[8]。

1.5 吸水膨胀橡胶内的水状态

吸水膨胀橡胶的内部水状态分为不冻水（束缚不冻结水）、束缚冻结水（键合水）和游离水。吸水膨胀橡胶中都含有一部分不冻水，它只与吸水官能团的性质和数量有关。橡胶的含水量越小，不冻水比例越高；含水量较低时，键合水随吸膨胀橡胶含水量增加而逐渐增大；而游离水含量几乎不随吸水膨胀橡胶吸水率升高而增加，只有总含水量达到一定值时才出现游离水。说明当吸水膨胀橡胶浸水后首先形成不冻水，随着吸水率的增大，键合水含量逐渐增加，当不冻水和键合水均达到饱和时，吸水率进一步增大则只能增加游离水。这一规律揭示了吸水膨胀橡胶具有良好保水性的本质。

吸水膨胀橡胶的交联密度对束缚水含量无影响，降低交联密度会使吸水膨胀橡胶的含水量增加，但主要是增加游离水含量，这说明橡胶基质对吸水膨胀橡胶中水的状态分布基本无影响。此外，Ren等[9]研究了氯化聚丙烯/丙烯酸钠硫化胶中水的形态，发现其吸水膨胀过程除受Fickin扩散的影响外，还受聚丙烯酸钠及

氯化聚丙烯链弛豫的影响，扩散系数与弛豫程度随温度的升高而增大。

1.6 吸水膨胀橡胶展望

作为一种应用型功能高分子材料，今后其开发和研究应注意和解决以下几个方面的问题：

（1）吸水膨胀橡胶的膨胀方向性

为了保证遇水膨胀橡胶在无约束和复合状态下可靠止水，有必要研发单向膨胀的吸水膨胀橡胶。

（2）吸水膨胀橡胶的膨胀倍率

目前，工程上常用的吸水膨胀橡胶的静水膨胀率在100%-300%之间，过大的膨胀率会导致不易密封的问题，故该类材料的研发并不能追求过高的吸水率。（3）成本问题

吸水膨胀橡胶推广应用的最大问题是成本过高，因此要求降低成本、耐久性好及可重复使用。

（4）膨胀速度

工程中应用的吸水膨胀橡胶，一般要求材料有较快的吸水膨胀速度，但其膨胀速度并不是越大越好，要根据具体情况而定。

（5）析出物的问题

用物理共混法制备吸水膨胀橡胶时，如何克服析出物多的问题，应该成为研究的关键所在。

1.7 本章小结

吸水膨胀橡胶（WSR）是一种独特的橡胶新产品，从20世纪70年代问世以来，以其独特的弹性密封止水及吸水膨胀以水止水的双重止水特性，日益受到人们的普遍重视。它既有一般橡胶制品的性能，又有遇水自行膨胀的性能，还有快速吸水和保水性能，是一种新型防水材料，止水、防水效果比一般橡胶更为明显。该产品在遇水后会产生膨胀变形，并充满接缝的所有不规则表面、空穴及间隙，同时产生巨大的接触压力，彻底防止渗漏。当接缝或施工缝发生位移，造成间隙超出材料的弹性范围时，普通橡胶止水材料则失去止水作用，而该产品则可以通过吸水膨胀来止水，使用该产品作堵漏密封水材料，不仅施工方便、效率高节省材料，而且还可以消除一般弹性材料因过大压缩而引起疲劳的特点，使防水效果更为可靠。

吸水膨胀橡胶的研制开发技术也有较快的发展，每年有不少文献问世，其中