高耐盐型遇水膨胀橡胶的制备及其性能研究

摘要

论文以丁腈橡胶（NBR）为基体，与双键封端亲水性聚氨酯（PU）活性树脂大分子构建化学交联互穿网络结构，以聚丙烯酰胺（PAM）等为吸水剂，制备出不同类型的高耐盐型遇水膨胀橡胶（WSR）材料。该材料克服了传统WSR材料在高盐矿化水(20×104 mg·L-1)中膨胀倍率低，吸水剂易析出、耐盐性能差和使用寿命短等技术难题。此外，该材料还表现出较好的力学性能、较高的稳定性和较长的使用寿命。材料内部构建的化学交联互穿网络结构降低了吸水剂组分的析出问题，添加的PAM吸水树脂与亲水性PU树脂构建的交联网络的协同作用赋予该材料较好的吸水膨胀行为和耐盐性能。论文围绕研究目标主要开展了以下四部分的研究工作： 1.使用甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）与亲水性PU预聚体反应，成功制备出亲水性双键封端PU活性树脂大分子。研究了PU活性树脂含量对WSR材料性能的影响。结果表明：在自由基引发剂过氧化二异丙苯（DCP）的作用下，双键封端PU活性树脂大分子能够接枝到NBR基体分子主链上，构建出PU/NBR化学交联互穿网络结构；PU/NBR化学交联型WSR材料在20万矿化水环境中质量膨胀倍率能达到1.8倍，且胶片稳定表面光滑。PU/NBR化学交联互穿型WSR材料表现出较好的耐盐性和稳定性，解决了传统WSR材料普遍存在的析出难题。 2.加工出PAM/NBR树脂复合型WSR材料，该部分工作研究了PAM树脂含量对WSR材料性能的影响。随着PAM树脂含量的增多，复合型WSR材料亲水剂的析出状况愈加明显。在20万矿化水环境中，复合型WSR材料的质量膨胀倍率达到了3.5倍，表现出较好的耐盐性。然而，PAM吸水树脂突出的析出问题使复合型WSR材料表现出较差的膨胀稳定性。 3.加工出PAM和PU活性树脂协同复合型WSR材料，研究了PAM树脂含量对WSR材料性能的影响。结果显示：在矿化度20万水介质中，PU/NBR化学交联协同复合型WSR材料质量膨胀接近3倍，且膨胀后胶片稳定，没有出现吸水树脂析出的现象；PAM/PU预聚体协同复合型WSR材料的质量膨胀达到4倍，且胶片稳定，只出现少量析出。研究表明：PAM和PU活性树脂的协同作用能够提高WSR材料的吸水膨胀倍率，攻克材料在超高矿化水环境中膨胀倍率低的技术难题。 4.加工出不饱和亲水单体原位自由基聚合接枝型WSR材料，研究了PU/NBR化学交联网络结构疏密程度和单体原位自由基作用对WSR材料性能的影响。当DCP含量为0.5份时，PU/NBR化学交联协同复合型WSR材料质量膨胀达到了3.5倍，胶体稳定没有出现析出现象；单体原位聚合型WSR材料的质量膨胀倍率相对较低且出现析出和高温回缩现象。研究结果表明：化学交联网络的疏密程度能够影响WSR材料的膨胀倍率，单体原位自由基聚合接枝型WSR材料的膨胀性能尚需深入研究。

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1 文献综述

1.1 引言

1.2 遇水膨胀橡胶材料简介

1.2.1 橡胶基体的选择

1.2.2 亲水剂组分的选择

1.3 WSR材料的作用机理和分类

1.3.1 WSR材料的吸水机理

1.3.2 WSR材料耐受高矿化度原理

1.3.3 WSR材料的分类

1.4 WSR的制备方法

1.4.1 物理共混法

1.4.2 化学接枝法

1.5 课题研究内容

2 PU/NBR互穿交联网络型WSR材料的制备与性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 主要实验仪器和原料

2.2.2 双键封端的PU活性树脂大分子的制备

2.2.3 PU/NBR互穿交联网络型WSR材料的制备

2.3 结构表征与性能测试

2.3.1 红外光谱分析

2.3.2 差示扫描量热（DSC）分析

2.3.3 物理机械性能测试

2.3.4 吸水膨胀性能测试

2.4 结果与讨论

2.4.1 PU活性树脂的结构表征与硫化温度检测

2.4.2 PU含量对WSR材料力学性能的影响

2.4.3 PU含量对WSR材料膨胀动力学行为的影响

2.5 本章小结

3 PAM/NBR复合型WSR材料的制备与性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 主要实验仪器和原料

3.2.2 PAM/NBR复合型WSR材料的制备

3.3 表征与测试

3.3.1 物理机械性能测试

3.3.2 吸水膨胀性能测试

3.4 结果与讨论

3.4.1 PAM含量对WSR材料力学性能的影响

3.4.2 PAM含量对WSR材料膨胀动力学行为的影响

3.5 本章小结

4 PAM/PU协同复合型WSR材料的制备与性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 主要实验仪器和原料

4.2.2 PAM/PU协同复合型WSR的制备

4.3 表征与测试

4.3.2 吸水膨胀性能测试

4.4 结果与讨论

4.4.1 PAM含量对协同复合型WSR材料力学性能的影响

4.4.2 PAM含量对协同复合型WSR材料膨胀动力学行为的影响

4.5 本章小结

5 协同复合型与单体原位聚合型WSR材料的性能对比探究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 主要实验仪器和原料

5.2.2 协同复合型与单体原位聚合型WSR材料的的制备

5.3 表征与测试

5.3.1 物理机械性能测试

5.3.2 吸水膨胀性能测试

5.4 结果与讨论

5.4.1 DCP含量对协同复合型WSR材料力学性能的影响

5.4.2 DCP含量对协同复合型WSR材料膨胀动力学行为的影响

5.4.3 单体种类对原位聚合型WSR材料膨胀动力学行为的影响

5.5 本章小结

结 论

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表论文、获奖情况及参与课题