5.2-通用橡胶-NR-SBR-BR-电子课件

1、第5章 橡胶和弹性体材料,第二节 通用橡胶 2.1 天然橡胶（NR） 2.2 丁苯橡胶（SBR） 2.3 聚丁二烯橡胶（BR） 2.4 丁基橡胶 （IIR） 2.5 氯丁橡胶（CR） 2.6 乙丙橡胶（EPM）和三元乙丙橡胶（EPDM） 2.7 丁腈橡胶（NBR）,2.1 天然橡胶,2.1.1 天然橡胶的来源 1.天然橡胶来源于植物，这些植物包括：巴西三叶橡胶树、银胶菊、杜仲树等。其中98的天然橡胶来自于巴西橡胶树。 2. 天然橡胶的主要原材料是橡胶树新鲜胶乳。将新鲜胶乳经过一系列加工可得浓缩胶乳（固含量超过60）和干胶。 3. 天然橡胶的英文为nature rubber,缩写NR。,2.1.

2、2 NR的分子链结构和结晶性 （重点） （1）NR（异戊二烯的均聚物）的异构体结构,对称性差，难于结晶,对称性较高，较易结晶,巴西橡胶树生物合成的天然胶中97为顺1，4异构体。,（2）NR的结晶性,（3）天然橡胶具有拉伸诱导结晶的特点。,硫化NR结晶度与伸长率的关系,这种拉伸结晶特性对橡胶的强度有很大的贡献。NR纯胶就具有较高的强度。 未增强纯NR硫化胶的拉伸强度可以达到1725MPa。,2.1.2 NR的分子量与分子量分布（重点） NR的聚合度很高，10000，分子量在33000万的范围内。,NR的分子量分布呈双峰分布规律。 低分子量部分有利于NR的加工。 高分子量的部分使NR具有较高的强度

3、。,小知识：橡胶的加工性,橡胶的高弹性对于橡胶的加工成型是不利的。 具有一定的塑性对于加工是有利的塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性。 对于橡胶或弹性体材料，分子量越大（熵）弹性越高；而分子量小则塑性提高。,2.1.3 NR的组成,极性有机物吸水，不利于NR的绝缘和耐水性,分解出的有机胺是NR的硫化促进剂和防老剂。,灰分无机盐和少量金属化合物，金属离子会促进老化。,2.1.4 NR的性能特点（重点） 1.高弹性仅次于BR,与双键相邻CC键的容易内旋转。 分子链上的侧甲基数量少。 NR非极性分子间作用力低。,2. NR具有较优良的力学性能 NR是一种结晶性橡胶，可拉伸结晶，N

4、R具有较高的分子量。 NR纯胶硫化后强度可达25MPa；用炭黑增强后可达35MPa。 NR的撕裂强度也很高，最高可达98kN/m。 NR具有良好的耐疲劳性，滞后损失小，生热低。 NR具有较高的耐磨性。,3. NR具有较好的加工性能含有低分子组分和其它有机小分子。 4.天然橡胶耐热性不高，长期使用温度不能超过80oC，在100oC下只能短期使用；耐老化，耐O3性能不高主链上存在大量的不饱和双键。 5.NR的耐油性差非极性橡胶与烃类油相容性高。,NR的结构特点,2.1.5 NR的应用 综合性能好，可用来做各种橡胶制品。（除了某些特殊性能要求的制品外，耐油、耐热等） 广泛用于:轮胎、胶管、胶带和各种

5、工业橡胶制品。 是用途最广泛的一种橡胶，天然橡胶的耗胶量占总耗胶量的35。,2.2 丁苯橡胶,2.2.1 定义 丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物。 是用量最大的一种合成橡胶；占合成胶的55，占总橡胶用量的34。 英文为styrene-butadiene rubber，缩写SBR。,2.2.2 SBR的合成方法和分类,苯乙烯含量5070,自由基聚合机理,阴离子聚合机理,2.2.3 SBR的结构与性能关系（重点）,1. SBR分子结构的内涵 宏观结构参数：单体比例，平均分子量、分子量分布、分子结构的线性程度、凝胶含量。 微观结构参数：丁二烯链段中顺1，4；反1，4和1，2结构的比例；苯乙烯、丁二烯

6、单元的分布（嵌段共聚/无规共聚）。,1，4丁二烯结构 (顺式、反式）,乙烯基,苯乙烯,2.单体比例,随着苯乙烯含量的提高，玻璃化转变温度提高，模量（定伸强度）提高、弹性下降、加工性能变好。 苯环还具有分散应力提高耐磨性的作用。 耐热氧老化性能提高，耐寒性下降。 综合各种性能，普通SBR的苯乙烯含量一般为23.5。,3. 分子量和分子量分布 SBR的数均分子量为1013万。 分子量分布宽：强度低、链端多内耗大、加工性能好。 分子量分布窄：强度高，链端少内耗小、加工性能不好。 4. 分子链枝化度：高枝化度有利于加工性能，但不利于力学强度；同时造成链端多内耗大。 5. 凝胶（部分交联的橡胶）含量：凝

7、胶含量高会造成力学性能下降凝胶处于交联状态，配合剂无法混入。,6. 聚丁二烯的结构,乙烯基含量增大，也会导致弹性下降、加工性能、橡胶与地面的摩擦系数提高，橡胶抗湿滑性提高；但耐磨性能会略有下降。 顺式1，4结构分子链的回弹性高；其含量增高会导致弹性增大、加工性能与强度的下降。 反式1，4结构分子链的对称性高，分子间排布较紧密；其含量增多，弹性减小、模量和加工性能变好。,小知识：橡胶动态损耗特征与轮胎抗湿化性和滚动阻力（生热）间的关系,WLF方程时温等效原理,7. 苯乙烯和丁二烯单元的分布 嵌段序列结构比无规结构更能发挥出该微观结构的性能特征。 乳液聚合得到的ESBR因是自由基聚合机理，所以只能

8、得到无规序列结构 溶液聚合得到的S-SBR因是阴离子聚合机理，通过控制催化剂和反应条件，可以得到部分嵌段的序列结构，即无规-嵌段结构。,8. 乳聚SBR和溶聚SBR结构性能对比,低温ESBR比高温ESBR具有更好的综合性能。 与低温ESBR相比，SSBR的弹性高、内耗低，滚动阻力小；耐磨性能提高、抗湿化性不变或稍有提高。 但S-SBR突出缺点是加工性能不好。,各类SBR的性能对比,注意：除了橡胶本身的结构，增强填料与橡胶间的相互作用强弱及其在橡胶中分散的均匀性也对材料最终的动态损耗特性起到了决定性的作用。,2.2.4 SBR的性能特点（重点） 存在大量的分子侧基（苯乙烯、乙烯基）分子链较僵硬，

9、苯乙烯含量23.5的SBR的Tg约为-45oC,远低于NR的-72oC弹性和耐寒性差。 非结晶性橡胶，不具备自增强性，纯硫化橡胶的强度只有23MPa。必须使用增强填料补强。补强后的强度能达到纯NR硫化胶的水平。 耐撕裂性能也低于NR。 内耗大，动态生热和滚动阻力高于NR； 耐曲挠疲劳性低于NR,主链上双键含量及反应活性比天然橡胶低耐热氧老化性、耐臭氧性能、耐磨性（高温，长时间）优于NR能提高。SBR的使用上限温度比NR高10-20。但硫化速度较NR慢（因SBR的双键浓度较低和苯环的体积位阻效应） SBR的耐溶剂性能以及电绝缘性能与NR相似，因为均为非极性二烯类橡胶。 加工性能比NR稍差，尤其是

10、S-SBR包辊性差 ，自粘互粘性差。,2.2.5 SBR的应用 应用广泛，除要求耐油、耐热、耐特种介质等特殊性能外的一般场合均可使用。 主要用于轮胎工业，如轿车胎、拖拉机胎、摩托车胎中应用比例较大，载重及子午胎中应用比例较小些。 在无特殊要求的胶带、胶管及一些工业制品中也获得了广泛的应用，如输水胶管、鞋大底等。,2.3 丁二烯橡胶,2.3.1 定义与分类 1. 定义：由丁二烯单体合成得到的通用合成橡胶。,英文名称：butadiene rubber，缩写:BR.,2.分类,配位聚合,2.3.2 结构的性能特点 1、1.2 结构的含量直接决定了BR的Tg。,随着乙烯基含量的增加，BR的弹性、耐寒性

11、变差；与地面的摩擦系数增大，抗湿滑性提高，但耐磨性有所下降。,2、 顺、反1,4 结构的性能特点 主链上存在着大量容易发生内旋转的CC键（-CC-），且无大侧基分子链的柔顺性非常高，Tg-105oC。 反1,4结构对称性高，容易结晶，结晶的熔点在135150oC。 顺1,4结构对称性较反式低，不易结晶结晶的熔点约为-30oC（室温下不结晶），在室温下拉伸伸长率200%时，能够拉伸诱导结晶，但结晶度远小于NR。,顺1,4结构增多，BR弹性、耐寒性提高、动态内耗减小、耐磨性提高（与路面的摩擦系数极低）、与地面的抓着力下降、抗湿滑能力下降。 反1,4结构增多，硬度、定伸应力提高，弹性下降、耐磨性能好

12、。,2.2.3 几种丁二烯橡胶的性能特点和应用 1. 顺1,4丁二烯橡胶（顺丁橡胶） 顺1,4结构达到9698的丁二烯橡胶被称为顺丁橡胶。 分子链高柔顺性（Tg-105oC）高弹性、耐寒性好、耐动态疲劳、动态内耗生热低。 耐磨耗性能优异，优于比NR和SBR分子链高柔顺，摩擦系数低。 拉伸强度和撕裂强度低（低于NR和SBR）分子间作用力低；虽可拉伸结晶但结晶度很低（不能产生自增强效应）。,抗湿滑性差顺丁的Tg远低于0oC，0oC附近的Tan很小不能单独使用BR制造轮胎，否则轮胎会打滑。 耐热氧、臭氧老化性能差主链上存在大量的不饱和双健略高于NR，但低于SBR。 耐烃类油性能差非极性橡胶，与NR和

13、SBR类似。 加工性能不好使用开炼机时包辊性差、自粘和互粘性差。 生胶在常温下会因自重而发生流动（冷流）现象储存时要注意。 顺丁胶很少单独使用，经常与其它通用橡胶并用，主要用于轮胎提高耐磨性、降低动态生热，提高回弹和耐寒性。,小知识：什么样的橡胶耐磨性？,橡胶的磨耗是一个动态磨损和疲劳老化破坏的综合过程。,动态磨损,强度高（特别是撕裂强度）,摩擦系数低,疲劳老化,动态生热低,耐热氧老化性能好。,2. 中乙烯基丁二烯橡胶 乙烯基含量在3555的低顺式丁二烯橡胶。 合适含量的乙烯基提高了耐磨性和耐老化性能。 其硫化胶料的抗湿滑性能可以和SBR相当，但耐磨性提高2030可以单独制造轮胎胎面，是一种较新的胎面胶品种。,3. 反1,4丁二烯橡胶