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橡胶
 

橡胶(rubber ):高弹性聚合物。橡胶一词来源于印第安语cau-uchu ,意为“流泪的树”。天然橡胶就是由三叶橡胶树割胶时流出的胶乳经凝固、干燥后而制得。橡胶的分子链可以交联,交联后的橡胶受外作用发生变形时,具有迅速复原的能力,并具有良好的物理力学性能和化学稳定性。橡胶是橡胶工业的基本原料,广泛用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他各种橡胶制品。[1]

中文名称 :橡胶

外文名称:Rubber

分类:天然橡胶与合成橡胶两种

应用:工业和生活各方面

橡胶起源

直到1930年代,全球大部分橡胶源自亚洲、西非和南美热带雨林偏远种植园中的橡胶树。但随着汽车产量的激增,供应商不能生产足够的天然橡胶,满足对轮胎和内胎日益扩大的需求,使科学家开始研究一种合成替代物。

1937年,在标准石油新泽西公司位于新泽西林登的实验室工作的石油化学家威廉·斯巴克斯罗伯特·托马斯开发了最为成功的合成替代物之一。他们被称作丁基橡胶的发明依靠的是Vistanex,一种同样是公司的科学家发明的粘合剂与少量工业化学品丁二烯的化学反应。

这种新产品具有气密性,有弹性并可减轻震动。这些特点使丁基橡胶用途广泛,但尤其适用于轮胎,因为轮胎要锁住里面的气体,遇到不平路面时富有弹性,并且能阻隔路面震动,让坐在车里的乘客出行更舒适。他们的发明在二次世界大战期间真正获得成功,当时标准石油与美国政府合作,建设和运营了第一个商业化的丁基橡胶生产设施。[2]

分子结构

橡胶的分子特征---构成橡胶弹性体的分子结构有下列特点:

1、其分子由重复单元(链节)构成的长链分子。分子链柔软其链段有高度的活动性,玻璃化转变温度(Tg)低于室温。

2、其分子间的吸引力(范德华力)较小,在常态(无应力)下是非晶态,分子彼此间易于相对运动。

3、其分子之间有一些部位可以通过化学交联或由物理缠结相连接,形成三维网状分子结构,以限制整个大分子链的大幅度的活动性。

从微观上看,组成橡胶的长链分子的原子和链段由于热振动而处于不断运动中,使整个分子呈现极不规则的无规线团形状,分子两末端距离大大小于伸直的长度。一块未拉伸的橡胶象是一团卷曲的线状分子的缠结物。橡胶在不受外力作用时,未变形状态熵值最大。当橡胶受拉伸时,其分子在拉伸方向上以不同程度排列成行。为保持此定向排列需对其作功,因此橡胶是抵制受伸张的。当外力除去时,橡胶将收缩回到熵值最大的状态。故橡胶的弹性主要是源于体系中熵的变化的“熵弹性”。[3]

性能分析

应变性质

应力-应变曲线是一种伸长结晶橡胶的典型曲线,其主要组分是由于体系变得有序而引起的变。随着分子被渐渐拉直,使得分子链上支链的隔离作用消失,分子间吸引力变得显著起来,从而有助于抵抗进一步的变形,所以橡胶在被充分拉伸时会呈现较的高抗张强度。橡胶在恒应变下的应力是温度的函数。随温度的升高橡胶的应力将成比例地增大。

橡胶的应力对温度的这种依赖称为焦耳效应,它可以说明金属弹性和橡胶弹性间的根本差别。在金属中,每个原子都被原子间保持在严格的晶格中,使金属变形所做的功是用来改变原子间的距离,引起内能的变化。因而其弹性称为“能弹性”。其弹性变形的范围比橡胶中主要由于体系中熵的变化而产生的“熵弹性”的变化范围要小得多。

热性能

1、导热性 橡胶是热的不良导体,其导热系数在厚度为25毫米时约为2.2~6.28瓦/米2·0K。是优异的隔热材料,如果将橡胶做成微孔或海绵状态,其隔热效果会进一步提高,使导热系数下降至0.4~2.0瓦。任何橡胶制件在使用中,都可能会因滞后损失产生热量,因此应注意散热。

2、热膨胀 由于橡胶分子链间有较大的自由体积,当温度升高时其链段的内旋转变易,会使其体积变大。橡胶的线膨胀系数约是钢的20倍。这在橡胶制品的硫化模型设计中必须加以考虑,因为橡胶成品的线性尺寸会比模型小1.2~3.5%。对于同一种橡胶,胶料的硬度和生胶含量对胶料的收缩率也有较大的影响,收缩率与硬度成反比,与含胶率成正比。各种橡胶在理论上的收缩率的大小顺序为:氟橡胶>硅橡胶>丁基橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>丁苯橡胶>天然橡胶

橡胶制品在低温使用时应特别注意体积收缩的影响,例如油封会因收缩而产生泄漏,橡胶与金属粘合的制品会因收缩产生过度的应力而导致早期损坏。[4]

电性能

通用橡胶是优异的电绝缘体,天然橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁苯橡胶都有很好的介电性能,所以在绝缘电缆等方面得到广泛应用。丁腈橡胶和氯丁橡胶,因其分子中存在极性原子或原子基团,其介电性能则较差。在另一方面,在橡胶中配入导电炭黑或金属粉末等导电填料,会使它有足够的导电性来分散静电荷,或者甚至成为导电体。

气体透过性(气密性)

橡胶的气透率是气体在橡胶中的溶解度与扩散度的乘积。气体的溶解度随橡胶的溶解度参数增加而下降,气体在橡胶中的扩散速度取决于橡胶分子中侧链基团的多少。气体在各种橡胶中的透过速度有很大的不同,在橡胶中气透性较低的是聚醚橡胶和丁基橡胶,丁基橡胶气透性只有天然胶的1/20。而硅橡胶的气透性最大。橡胶的气透性随温度的升高而迅速上升,对于使用炭黑作填料的制品来说,其品种和填充量对气透性能影响不大。但软化剂的用量大小对硫化胶的气透性能影响很大,对气透性能要求较高的橡胶制品,软化剂的用量尽可能减少为好。

可燃性

大多数橡胶具有程度不同的可燃性。而分子中含有卤素的橡胶如氯丁橡胶、氟橡胶等,则具一定的的抗燃性。因此,含有氯原子的氯丁胶和氯磺化聚乙烯在移开外部火焰后,既便燃烧也是困难的,而氟橡胶则完全是自行灭火的。在胶料中配入阻燃剂(例如磷酸盐或含卤素物质)可提高其阻燃性。[5]

橡胶分类

一、按来源和用途分类:

1、天然橡胶(NR)

2、合成橡胶:又分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。

通用合成橡胶有:丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、异戊橡胶(IR)、氯丁橡胶(CR)、乙丙橡胶(EPM、EPDM)和丁基橡胶(IIR)。

特种合成橡胶有:丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FPM)、硅橡胶(SiR)、聚氨酯橡胶(PU)、聚硫橡胶(T)、氯磺化聚乙烯(CSM)、氯化聚乙烯橡胶(CM)、丙烯酸酯橡胶(ACM)和氯醚橡胶(CO、ECO)等。[6] 二、按化学结构分类:

1、碳链橡胶:

不饱和非极性橡胶有:NR、SBR、BR和IR。

不饱和极性橡胶有:NBR、CR

饱和非极性橡胶有:EPM、EPDM、IIR

饱和极性橡胶有:FPM、CM、CSM、ACM

2、杂链橡胶有:T、CO、ECO、PU、SiR

三、按形态分类

固体橡胶、液体橡胶、粉末橡胶

四、按交联方式分类

化学交联橡胶、物理交联橡胶(比如热塑性弹性体)[7]

性能及应用

1. 天然橡胶(NR) 综合性能比较全面,具有很好的耐磨性、很高的弹性、扯断强度及伸长率。缺点是耐油、耐热、耐寒、耐化学、耐老化等性能太差,远不及其他合成橡胶。主要用于轮胎、胶管、胶带、医疗用品、体育用品及一些其他工业用品。使用温度:-75-90℃。

2. 丁苯橡胶(SBR)综合性能与天然橡胶相当,而磨耗及热老化性能则优于天然橡胶,与天然橡胶和多种合成橡胶并用,加工性能好,是一种通用橡胶。主要使用语胶管,轮胎,胶带。胶鞋,以及各种工业橡胶制品。使用温度:-60-100℃。

3. 顺丁橡胶(BR)加工性能好,具有优异的耐磨性和弹性,生热少,耐低温性能好。耐屈挠也不错,缺点是撕裂强度和抗滑性不好。广泛用于轮胎,胶管,胶带,胶鞋以及其他橡胶制品方面。使用温度:-100-100℃。

4. 氯丁橡胶(CR)耐臭氧,耐气候老化,耐油,耐溶剂,阻燃,绝缘以及耐水性,气密性,拉伸强度等方面的性能均较好。缺点是耐寒性差,比重(密度)大。适用于胶管、胶带、输送带、电线电缆、空调橡胶制品,以及建筑、船舶、汽车等密封制品。使用温度:-60-120℃。

5. 丁腈橡胶 (NBR)可长期在120度以下温度使用,气密性较好(仅次于丁基橡胶)耐油,耐磨,抗撕裂等性能功能极佳(注意:此材料属于半导体橡胶,因此不适宜做绝缘性产品)适用于汽车,机械方面胶管,密封件,电缆护套,海绵制品等。使用温度:-50-120℃。

6. 氢化丁腈橡胶(HNBR)可长期在-40-180度工作环境中使用,加工性能好,强度高,耐磨性优,永久变形小,同时具有独特的抗臭氧和耐硫化氢的作用。适用于发动机密封制品,油封,油田,钻杆用橡胶制品,低温油管,空调管,电子系统保护零件。使用温度:-20-150℃。

7. 三元乙丙橡胶(EPDM)耐热耐臭氧耐天侯老化,耐低温,耐电绝缘,耐酸,耐碱等各方面性能极佳。广泛用于建筑,汽车,轮船门窗密封,电线电缆,汽车,摩托车零部件和其他工业制品。使用温度:-50-150℃。

8. 硅橡胶(SR)透明无毒无味绝缘性能佳,加工性能好。缺点是耐磨性能,撕裂性能和耐油,耐化学介质差。广泛用于电热电器,电子电气行业,航空,国防,机械,建筑工业,医疗,食品卫生领域,以及厨房用品,家庭日用杂制品等。使用温度:-60-220℃。

9. 氟橡胶(FPM)优异的耐高温(250度)和很好的介电性能,以及优异的耐氧化,耐油,耐化学腐蚀,耐磨损等优异性能。缺点是加工工艺比较困难。广泛应用于航天航空导弹火箭等科学领域以及工业设备各方面,如胶管,密封件,电线,隔膜,胶带等制品以及防腐衬里。使用温度:-40-250℃。

10. 丁基橡胶(IIR)气密性能在各种橡胶中最好,优异的耐热老化性能,耐臭氧老化性能,以及电绝缘性能,同事有较宽的温度使用区间。广泛用于轮胎的内胎,硫化用的胶囊,水胎,风胎,汽车零部件,电线电缆,胶管,胶带,建筑防水片材,堵塞材料(如药瓶盖)门窗密封条,以及化工设备防腐等。使用温度:-60-130℃。

11. 聚硫橡胶(TR) 具有良好的耐油性,耐烃类溶剂,耐大气老化,耐水,以及低温屈挠性能好。同时对各种材料有非常好的粘接性,用作汽车密封材料,不干性橡胶腻子和化工设备衬里,马路漆和耐油性油漆,涂料,耐油性胶管中空玻璃密封等。使用温度:-30-80℃。

12. 聚丙烯酸酯橡胶(ACM和ANM)气密性,耐气候老化,耐热性,耐油性能都很好。缺点是耐水性,耐低温性能差。加工性能难掌握,硫化工艺对模具有腐蚀性。主要用于汽车工业的密封件和特殊要求的胶管,胶布,同事还应用于制造与高温油接触的电线电缆手套,胶粘剂等。使用温度:-30-200℃。

13. 乙烯醋酸乙酯橡胶(EVW)可长期在175度高温下使用,优异的阻燃性能和耐油性能,产品在高温状态下压缩变形小。适用于地铁,高层建筑,以及船用高性能无卤阻燃电线电缆和其他密封制品。

14. 氯化聚乙烯(CPE)是一种耐热,耐候,耐燃的特种合成橡胶,极好的电性能和耐化学品行性能,此外还具有耐油,耐臭氧,耐候,耐热老化,耐燃等优点,广泛用于耐燃耐候性好的电线电缆,密封制品以及要求耐温,耐酸,耐燃的胶管,胶带和胶辊等工业制品。

15. 热塑性丁苯橡胶(SBS)是目前产量最大(占7%)最经济的热塑性弹性体品种,其性能与丁苯橡胶相似具有更加的弹性,手感,色彩丰富,格式和做低硬度产品。缺点是耐热,耐油性较差。广泛用于手柄,玩具,运动器材,鞋材等领域。

16. 热塑性弹性体(SEBS)是加氢制得的饱和型SBS,耐老化,耐臭氧,在原性能上大幅度提高特别适用于户外使用的产品。缺点是耐热性能,耐油性能差。使用温度范围在-60-100度之间。广泛用于手柄,玩具,运动器材,医疗配件等领域。

17. 热塑性弹性体(TPV)是动态硫化的EPDM/PP共混物。耐寒耐热,优良的弹性,耐老化,耐臭氧,撕裂强度,耐化学药品,着色性能优异,可长期在-60-135之间温度使用。广泛用于汽车,船舶,机械配件,胶管胶带及各类工业制品,常用于挤出各类密封条。

18. 热塑性聚氨酯橡胶(TPU)突出的耐磨性,高弹性,高机械强度,耐油性极佳,耐屈挠极好,长期使用温度可在-40-120度之间。缺点是低硬度的品种极少。广泛用于汽车业的刹车管,油管,内饰件,电缆,管材,鞋材及运动器械,异性材料等。

19. 聚氯乙烯(PVC)是目前用途最广泛的塑料品种之一,经济且具有优良的阻燃性,耐化学药品,耐磨强度较高,电绝缘性好。缺点是耐寒性差,冬天变硬变脆,其氯具有刺激性。广泛用于各行各业,汽车,建筑,机械,日用品电缆线等。门窗密封等领域大量使用。[8]

发展情况

橡胶行业是国民经济的重要基础产业之一。它不仅为人们提供日常生活不可或缺的日用、医用等轻工橡胶产品,而且向采掘、交通、建筑、机械、电子等重工业和新兴产业提供各种橡胶制生产设备或橡胶部件。可见,橡胶行业的产品种类繁多,后向产业十分广阔。

近几年来,橡胶行业得到不少发展,已有细分行业稳中有升,新生橡胶细分行业则飞速发展,但同时,橡胶行业也还存在环境、资源、灾害、创新等问题。

2004年,全国天然橡胶种植总面积69.62万公顷,开割面积45.19万公顷,干胶产量57.33万吨。其中农垦橡胶种植面积41.1万公顷,民营28.52万公顷,分别占全国橡胶总面积的59.03%和40.97%。

2005年,海南遭遇50年罕见的干旱和百年不遇的台风灾害,天然橡胶生产遭受重创。为挖掘国内天然橡胶种植、加工的发展潜力,增加自给,中国橡胶行业做出了不懈的努力,认真贯彻国家安全、节能、环保和清洁生产方针,并取得重大成果。尤其是橡胶助剂行业积极调整产品结构,绿色环保型助剂大幅增长,防老剂优良品种产量比例已达80%,促进剂达50%,有毒、有害、高致癌的NOBS生产量得到有效控制;废橡胶综合利用率达65%以上,再生胶及胶粉后加工利用领域扩大。

2006年,中国橡胶工业协会六届三次理事会讨论通过并发布《中国橡胶工业"十一五"科学发展规划意见》及橡胶行业"十一五"实施名牌战略规划意见。这是首次由协会组织制订的行业规划。规划表明,橡胶工业"十一五"期间要走自主创新之路,全行业要切实转入科学发展的轨道,使中国成为世界橡胶工业的强国。

中国橡胶行业的发展前景广阔。到2010年,中国天然橡胶总消耗量将达到230万吨,橡胶工业的产品结构将有较大变化,新型产品、更新换代产品增多、新材料、新工艺应用扩大,生产技术有明显进步。

橡胶行业的特征决定了当一国的橡胶行业成熟后,该行业的景气状况与整个经济的运行 状况将保持很强的相关性:其发展周期的长度与该国经济周期的长度相当,走势同向;但由于橡胶行业属于基础工业,它的周期变化要略提前于经济周期的变化。另外,同样由于橡胶行业处于国民经济生产链的前端,其周期波动的波幅要小于产业链末端行业的波幅,也小于整个经济的波幅。因此,从产业投资的角度看,成熟的橡胶行业比较接近收益型投资行业。中国的橡胶加工业正值蓬勃发展时期,各地的橡胶业不仅加快了中国工业的进程,也带动了各地的经济建设发展的良好局面。我国橡胶工业比较发达的地区有:云南广东山东莒县、河北等地。

相关视频

1、天然橡胶的制作过程

2、橡胶树割胶过程

參考來源

  1. 什么是橡胶及其代号和物性,范文网
  2. 合成橡胶起源的那些经典故事 ,搜狐网,2016-08-31
  3. 橡胶的基本结构与性能,个人图书馆网,2019-12-17
  4. 橡胶的基本结构与性能,个人图书馆网,2019-12-17
  5. 橡胶的基本结构与性能,个人图书馆网,2019-12-17
  6. 橡胶的分类和缩写大全,高分子网
  7. 橡胶的分类和缩写大全,高分子网
  8. 各种橡胶性能特点总结,网易网,2018-05-18