一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶及制备方法
技术领域
本发明涉及新型密封材料技术领域，更具体涉及一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶及制备方法。
背景技术
吸水橡胶材料是一种新型功能密封防水材料，主要应用于隧道、水利等需要进行密封防水的领域。目前，市面上大部分的吸水橡胶材料存在吸水速度慢、拉伸强度低、遇水膨胀率小、反复浸水后的膨胀率和拉伸强度低的问题；且现有的市售产品外观不良，模压产品存在着质量不均一、接头处有接痕、尺寸稳定差等缺点。
吸水橡胶材料应用于水坝中用于密封止水，对反复浸水后的膨胀率和吸水速度的要求最为明显：雨水多、水位在高处时，吸水橡胶吸水；雨水少、水位低时，吸水橡胶失水；若吸水膨胀率低，吸水橡胶无法弥补产生的缝隙，会造成水坝渗水、漏水；若吸水速度慢，在初期接触水的过程中，吸水橡胶还未膨胀，容易导致密封不严、出现渗水、漏水现象，直到吸水橡胶膨胀起来，堵塞缝隙，才能够达到止水的目的。
因此亟需研发一种具有更好的稳定性、遇水膨胀率、拉伸强度、复浸水后的膨胀率和拉伸强度的吸水橡胶材料。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶及制备方法，以解决现有产品外观尺寸质量不稳定和吸水橡胶材料反复浸水后的膨胀率低的问题，进一步提高吸水橡胶材料反复浸水后的膨胀率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶，包括以下重量份数的组分：
天然橡胶70-150份、吸水树脂10-100份、补强体系20-100份、活性剂3-15份、偶联剂为0-5份、表面处理剂3-10份、增粘剂0-5份、防老剂0.5-5份、硫化剂0.3-1份、促进剂0.5-1.5份。
进一步的，所述吸水树脂为聚丙烯酸盐类。
进一步的，所述补强体系为白炭黑20-50份、萨博菲0-25份、凯撒特0-25份。
进一步的，所述活性剂为氧化锌3-10份、硬脂酸0.5-5份。
进一步的，所述偶联剂为SI69，表面处理剂为十二烷基苯磺酸钠，增粘剂为石油树脂C5。
进一步的，所述防老剂为防护蜡6540.5-2.5份、MB0-2.5份。
进一步的，所述硫化剂为硫磺，促进剂为DM0.5-1.0份、TT0-0.5份。
进一步的，所述的一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶，其特征在于，包括以下重量份数的组分：
天然橡胶70-100份、吸水树脂30-100份、补强体系50-100份、活性剂5-15份、偶联剂为0-4份、表面处理剂5-10份、增粘剂2-5份、防老剂1.5-5、硫化剂0.5-1份、促进剂1-1.5份。
本发明还提供了一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶的制备方法，包括混炼和挤出硫化两个阶段，具体包括以下步骤：
S1、制备塑炼胶：将天然橡胶投入到密炼机中进行塑炼，温度到达140℃时制得塑炼胶，排胶备用；
S2、制备混炼胶：将步骤S1制备的塑炼胶投入到密炼机中，在密炼机上进混炼，混炼1分钟后，再依次加入活性剂、偶联剂、表面处理剂和增粘剂后，在70-120℃混炼温度下，混炼1-2min；然后分两次加入吸水树脂、补强剂并进行混炼，温度达到120-140℃时制得一段混炼胶，排胶备用；
S3、制备混炼胶条：将步骤S2中制得的混炼胶在开炼机上降温至100℃，然后加入硫化剂、促进剂，并进行打包混炼1-2min后，再薄通三次，制得混炼胶条；
S4、挤出硫化橡胶材料：将混炼胶条放置8小时以上后，放入到冷喂料挤出机中进行挤出预成型，然后依次经过高温段、微波段、热空气一、热空气二硫化成型，再经过风冷降温、收卷等步骤。
进一步的，所述步骤S2中进行混炼时转子转速为20-40r/min，再次混炼时间为5分钟。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明提供的一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶材料遇水膨胀率、拉伸强度以及反复浸水后的膨胀率、拉伸强度等物理性能均较好；吸水速度快，有利于提高止水效率；本发明采用连续挤出硫化工艺制备，提高了吸水橡胶材料的生产效率和产品质量稳定性，降低了加工成本低，有利于提高市场竞争力。
具体实施方式
本发明提供一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶及制备方法，包括以下重量份数的组分：天然橡胶70-150份、吸水树脂10-100份、补强体系20-100份、活性剂3-15份、偶联剂为0-5份、表面处理剂3-10份、增粘剂0-5份、防老剂0.5-5份、硫化剂0.3-1份、促进剂0.5-1.5份。
其中，吸水树脂为聚丙烯酸盐类，补强体系为白炭黑20-50份、萨博菲0-25份、凯撒特0-25份，活性剂为氧化锌3-10份、硬脂酸0.5-5份，偶联剂为SI69，表面处理剂为十二烷基苯磺酸钠，增粘剂为石油树脂C5，防老剂为防护蜡6540.5-2.5份、MB0-2.5份，硫化剂为硫磺，促进剂为DM0.5-1.0份、TT0-0.5份。
本发明中的主要组分吸水树脂以亲水基团为主，吸水的原理是化学吸附和物理吸附的叠加。吸水树脂的亲水基和水分子相互作用，或部分结构引起的分子扩张面形成水合状态，使具有超高的吸水性能，随着吸水量的增加，树脂的体积将发生显著的膨胀。
本发明所述适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶的制备方法，包括混炼和挤出硫化两个阶段，具体包括以下步骤：
S1、制备塑炼胶：将天然橡胶投入到密炼机中进行塑炼，温度到达140℃时制得塑炼胶，排胶备用。
S2、制备混炼胶：将步骤S1制备的塑炼胶投入到转子转速为20-40r/min的密炼机中，在密炼机上进混炼，混炼1分钟后，再依次加入活性剂、偶联剂、表面处理剂和增粘剂后，在70-120℃混炼温度下，混炼1-2min；然后分两次加入吸水树脂、补强剂并进行混炼5分钟，温度达到120-140℃时制得一段混炼胶，排胶备用。
S3、制备混炼胶条：将步骤S2中制得的混炼胶在开炼机上降温至100℃，然后加入硫化剂、促进剂，并进行打包混炼1-2min后，再薄通三次，制得混炼胶条。
S4、挤出硫化橡胶材料：将混炼胶条放置8小时以上后，放入到冷喂料挤出机中进行挤出预成型，挤出机设定工艺参数：螺杆温度为50-70℃、五段的机筒温度都为50-80℃、机头温度为60-90℃、螺杆转速为5-15r/min、挤出速度为1-3米/分；然后依次经过温度为180-240℃的高温段，温度为160-230℃、微波功率为5kw/h的微波段，温度均为140-180℃的热空气一段和二段硫化成型，再经过风冷降温，收卷等步骤。
本发明在橡胶的制备过程中，硫化开始阶段为诱导阶段，先是硫磺、活化剂、促进剂相互作用，使活化剂在胶料中溶解度增加，活化促进剂，使促进剂与硫磺之间反应生成一种活性更大的中间产物，活化剂和促进剂起到了协同作用，然后进一步引发橡胶分子链产生交联的橡胶大分子自由基；其次为交联反应阶段，可交联的自由基或离子与橡胶分子链产生反应，生成交联键。
本发明制备的橡胶，在吸水过程中，吸水树脂吸水的膨胀力大于橡胶网络束缚力，随着时间的延长，最终达到平衡，橡胶膨胀率趋于稳定。树脂的用量越多，吸水膨胀力越大，膨胀率越高。在一定条件下，交联密度过大橡胶分子链的移动或扩张不容易，橡胶吸水膨胀力不能克服橡胶网络束缚力，从而导致膨胀率降低；反之，交联密度过小吸水树脂的膨胀力大于网络束缚力，导致膨胀率减小，同时由于网络间隙过大，也容易导致吸水树脂从橡胶网络之间游离出来，造成吸水树脂量减小，膨胀力小于束缚力，最终导致膨胀率降低，通过控制偶联剂、表面活性剂以及影响交联密度的增粘剂的用量，以达到提高膨胀率的目的。橡胶中的硫化体系、补强体系等其他助剂都有利于橡胶强度的提高，通过添加活性剂可以提高橡胶的吸水速率。
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：
一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶，包括以下重量份数的组分：
天然橡胶70份、聚丙烯酸盐50份、白炭黑50份、萨博菲0份、凯撒特10份、氧化锌2.5份、硬脂酸3份、SI690份、十二烷基苯磺酸钠3份、石油树脂C55份、防护蜡6540.5份、MB0份、硫磺1.0份、DM1.0份、TT0.4份。
该适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶的制备方法，包括混炼和挤出硫化两个阶段，具体包括以下步骤：
S1、制备塑炼胶：将天然橡胶投入到密炼机中进行塑炼，温度到达140℃时制得塑炼胶，排胶备用。
S2、制备混炼胶：将步骤S1制备的塑炼胶投入到转子转速为20r/min的密炼机中，在密炼机上进混炼，混炼1分钟后，再依次加入活性剂、偶联剂、表面处理剂和增粘剂后，在120℃混炼温度下，混炼2min；然后分两次加入吸水树脂、补强剂并进行混炼5分钟，温度达到140℃时制得一段混炼胶，排胶备用。
S3、制备混炼胶条：将步骤S2中制得的混炼胶在开炼机上降温至100℃，然后加入硫化剂、促进剂，并进行打包混炼1.5min后，再薄通三次，制得混炼胶条。
S4、挤出硫化橡胶材料：将混炼胶条放置8小时以上后，放入到冷喂料挤出机中进行挤出预成型，然后依次经过高温段、微波段、热空气一、热空气二硫化成型，再经过风冷降温、收卷等步骤。设定工艺参数：螺杆温度为50℃、五段的机筒温度都为50℃、机头温度为80℃、螺杆转速为5r/min、挤出速度为1米/分、高温段温度为240℃、微波段温度为200℃、微波功率为5kw/h、热空气一段和二段都为180℃。
实施例2：
一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶，包括以下重量份数的组分：
天然橡胶100份、聚丙烯酸盐10份、白炭黑30份、萨博菲20份、凯撒特0份、氧化锌8份、硬脂酸0.5份、SI693份、十二烷基苯磺酸钠8份、石油树脂C53份、防护蜡6541份、MB2.5份、硫磺0.3份、DM0.8份、TT0.5份。
该适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶的制备方法，包括混炼和挤出硫化两个阶段，具体包括以下步骤：
S1、制备塑炼胶：将天然橡胶投入到密炼机中进行塑炼，温度到达140℃时制得塑炼胶，排胶备用。
S2、制备混炼胶：将步骤S1制备的塑炼胶投入到转子转速为40r/min的密炼机中，在密炼机上进混炼，混炼1分钟后，再依次加入活性剂、偶联剂、表面处理剂和增粘剂后，在70℃混炼温度下，混炼1min；然后分两次加入吸水树脂、补强剂并进行混炼5分钟，避免一次加入吸水树脂、补强剂，容易造成橡胶吃料困难，延长混炼时间，温度达到120℃时制得一段混炼胶，排胶备用。
S3、制备混炼胶条：将步骤S2中制得的混炼胶在开炼机上降温至100℃，然后加入硫化剂、促进剂，并进行打包混炼1min后，再薄通三次，制得混炼胶条。
S4、挤出硫化橡胶材料：将混炼胶条放置8小时以上后，放入到冷喂料挤出机中进行挤出预成型，然后依次经过高温段、微波段、热空气一、热空气二硫化成型，再经过风冷降温、收卷等步骤。设定工艺参数：螺杆温度为70℃、五段的机筒温度都为60℃、机头温度为60℃、螺杆转速为6r/min、挤出速度为1.5米/分、高温段温度为230℃、微波段温度为160℃、微波功率为5kw/h、热空气一段和二段都为160℃。
实施例3：
一种适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶，包括以下重量份数的组分：
天然橡胶150份、聚丙烯酸盐100份、白炭黑20份、萨博菲25份、凯撒特25份、氧化锌10份、硬脂酸5份、SI695份、十二烷基苯磺酸钠10份、石油树脂C50份、防护蜡6542.5份、MB1份、硫磺0.4份、DM0.5份、TT0份。
该适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶的制备方法，包括混炼和挤出硫化两个阶段，具体包括以下步骤：
S1、制备塑炼胶：将天然橡胶投入到密炼机中进行塑炼，温度到达140℃时制得塑炼胶，排胶备用。
S2、制备混炼胶：将步骤S1制备的塑炼胶投入到转子转速为30r/min的密炼机中，在密炼机上进混炼，混炼1分钟后，再依次加入活性剂、偶联剂、表面处理剂和增粘剂后，在100℃混炼温度下，混炼1.5min；然后分两次加入吸水树脂、补强剂并进行混炼5分钟，避免一次加入吸水树脂、补强剂，容易造成橡胶吃料困难，延长混炼时间，温度达到130℃时制得一段混炼胶，排胶备用。
S3、制备混炼胶条：将步骤S2中制得的混炼胶在开炼机上降温至100℃，然后加入硫化剂、促进剂，并进行打包混炼2min后，再薄通三次，制得混炼胶条。
S4、挤出硫化橡胶材料：将混炼胶条放置8小时以上后，放入到冷喂料挤出机中进行挤出预成型，然后依次经过高温段、微波段、热空气一、热空气二硫化成型，再经过风冷降温、收卷等步骤。设定工艺参数：螺杆温度为60℃、五段的机筒温度都为80℃、机头温度为90℃、螺杆转速为15r/min、挤出速度为3米/分、高温段温度为180℃、微波段温度为230℃、微波功率为5kw/h、热空气一段和二段都为140℃。
将实施例1至3制备的适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶以及市售吸水橡胶产品分别进行相关性能的测试，测试结果如下表所示：
上表中测试结果显示，实施例1-3制备的适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶的硬度在43.9～44.8，拉伸强度在5.2MPa～6.4MPa、伸长率在509％～629％，膨胀率在543％～765％，均符合相关要求；反复浸水后，适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶的膨胀率在571％～990％，拉伸强度在2.1MPa～3.2MPa，伸长率在453％～550％；且实施例1-3制备的适用于连续挤出硫化的高膨胀率吸水橡胶在-20℃经过低温弯折测试均不出现裂纹，低温条件下柔性较好。目前市售的吸水橡胶硬度为44.1、拉伸强度为5.3MPa、伸长率为461％、膨胀率为661％；反复浸水后的膨胀率为377％、拉伸强度为3.4MPa、伸长率为514。
综上所述，本发明具有优良的弹性、延伸性和膨胀止水性，且本发明的吸水橡胶材料在反复浸水后的膨胀率明显增加，能有效堵塞缝隙，达到止水的目的。本发明的制备过程包括混炼和挤出硫化两个阶段，提高了吸水橡胶材料的生产效率和产品质量稳定性，降低了加工成本低，有利于提高市场竞争力。
