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氯丁橡胶采用溶液聚合法制备,其核心单体为2-氯-1,3-丁二烯。通过溶液聚合工艺,单体在特定反应条件下发生聚合反应,形成具有特定分子结构和性能的氯丁橡胶聚合物,为后续加工和应用奠定基础。
氯丁橡胶的结构特点主要由聚合过程中使用的调节剂决定,同时其微观结构直接影响加工性能和使用性能,具体如下:
根据聚合时所用调节剂的不同,氯丁橡胶可分为两大类型,二者核心结构差异在于分子链中是否含硫:
硫调型(通用型,又称 G 型):分子结构中含有硫元素,多为多硫键结构,是应用广泛的通用型氯丁橡胶。
非硫调型(又称 W 型,硫醇型):分子结构中不含硫,通过硫醇类调节剂控制分子量,性能更具针对性。
微观结构是决定氯丁橡胶加工特性和使用性能的核心因素,其关键微观结构特征及影响如下:
氯丁橡胶主链以1,4-反式聚合结构为主,结构规整度高,因此极易结晶,导致其生胶硬度较高,加工时需针对性调整工艺。同时,由于分子结构中存在大量1,4-聚合单元,形成了“双键-氯原子”的共轭结构:双键具有供电子性,氯原子具有吸电子性,二者相互作用使该结构稳定性极强,进而导致氯原子和双键的反应活性显著降低——其活性低于天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等常见不饱和橡胶,因此无法采用常规的硫黄硫化体系进行硫化。
此外,这种稳定的共轭结构也赋予氯丁橡胶耐热空气、耐臭氧性能,优于上述普通不饱和橡胶。值得注意的是,氯丁橡胶分子中含有约1.5%的1,2-聚合结构,该结构的侧基存在烯丙基氯,其氯原子活性较高,是氯丁橡胶实现交联反应的主要活性位点,为后续硫化体系的选择提供了理论依据。
由于氯丁橡胶的反应活性较低,其硫化体系与天然橡胶、丁苯橡胶等存在显著差异,核心采用金属氧化物硫化体系,辅以特定促进剂,根据制品需求调整配比,具体分为以下几类:
氯丁橡胶与天然橡胶等通用橡胶不同,其常用硫化剂为金属氧化物,其中常用的是氧化锌(ZnO),氧化镁(MgO)作为辅助硫化剂配合使用,硫磺仅作为性能调节剂,用于改善特定性能(如低温压缩变形、定伸应力、硬度等)。
氧化锌硫化氯丁橡胶的核心机理的是:氧化锌提供的锌离子(Zn²⁺)夺取氯丁橡胶分子中1,2-聚合结构侧基的烯丙基氯,使分子链发生交联反应,形成稳定的交联网络,从而实现橡胶的硫化成型。
氯丁橡胶硫化体系中,氧化锌与氧化镁的常规基础用量为:氧化锌5份,氧化镁4份,具体作用如下:
氧化镁:对混炼胶的稳定性和硫化胶的性能影响极大。在100~110℃以下的加工温度中,氧化镁起到防焦烧作用,防止胶料在混炼、存储过程中提前硫化;在硫化温度下,参与硫化反应、促进交联,同时作为吸酸剂,吸收氯丁橡胶硫化及使用过程中释放的微量氯化氢(HCl),减少其对制品中纤维、金属部件的腐蚀。为达到防焦效果,当混炼温度在100℃以下时,氧化镁应在混炼初期先加入,尤其针对硫调型氯丁橡胶。
氧化锌:作为主硫化剂,核心作用是提供交联所需的锌离子,其活性直接影响硫化效率和硫化胶性能,其中硫调型氯丁橡胶对氧化锌的活性度尤为敏感。
高活性氧化镁(吸碘值大于100)具有更好的性能:不仅能提高氯丁橡胶混炼胶在常温下的存储稳定性,还能提升硫化胶的交联密度和硫化程度;在硫化温度下,可显著延迟氯丁橡胶脱硫化氢的速度,从而改善硫化胶的耐热老化性能。但需注意,高活性氧化镁易吸收空气中的二氧化碳(CO₂),导致其活性下降,因此需妥善存储。
氯丁橡胶的反应活性较低,仅依靠氧化锌和氧化镁体系,硫化速度和硫化 程度难以满足部分制品需求,因此需加入促进剂加速硫化、改善性能,其中硫 脲类促进剂是氯丁橡胶硫化体系的核心促进剂,且硫调型与非硫调型氯丁橡胶 的促进剂用法存在明显差异,作用机理如下:
硫调型氯丁橡胶仅使用氧化锌和氧化镁即可实现硫化,具备足够的硫化速度。一般不用硫脲类促进剂,极少场景下,如在快速硫化、厚制品等有较高要求的场景下,才偶尔使用。
非硫调型氯丁橡胶与硫调型不同,其必须加入硫脲类促进剂才能实现有 效硫化,常用用量为 0.2~1.0 份,典型用量为 0.5 份。同样,为改善加工安全性,可配合加入DM 或TMTD,具体需根据填料类型调整。
除常用的 ETU(乙烯硫脲,2-硫醇基咪唑啉)外,常用的硫脲类促进剂还包括:二乙基硫脲(DETU)、丙基硫脲(PUR)、三甲基硫脲(TMU)、二丁基硫脲(TBU)、二苯基硫脲(DPTU)、N-甲基-2-噻唑硫酮(MTT)等。不同硫脲类促进剂的活性、硫化速度、焦烧性能存在差异,需根据制品需求和配方体系(如炭黑填充、陶土填充)选择合适的类型。
不同填料体系对促进剂的作用效果有影响,需针对性调整: 炭黑填充胶料:加入 DM 或 TMTD 均可改善加工安全性,延长焦烧时间。 陶土填充胶料:TMTD 会缩短焦烧时间,而 DM 会延长焦烧时间,需根据加工需求选择。
胶种 | 促进剂/质量份 | 适用范围 |
G型 | ETU(2-硫醇基咪唑啉)(0~1.5)或无促进剂 | 硫化速度和硫化程度中等通用橡胶 |
W型 | ETU(0.5~0.7)必要时加促进剂DM(0~0.3) | 耐热性高而压缩变形低的通用橡胶 |
ETU+不同比例的TMTD | 炭黑填充胶料 | |
ETU+不同比例的DM | 陶土填充胶料 | |
ETU(0.5~1.5)+硫磺(0~1.0),必要时加DM(0~1.0)作延迟剂 | 要求硫化速度和程度高的胶料 | |
TMTM(0.5~1.5)+DOTG(0.5~1.5)+硫黄(0~1.0); 要提高硫化速度时加ETU(0~0.5) | 硫化速度和硫化程度中等,适用于加工安全性(焦烧时间短)的胶料 | |
促进剂DM(3.0)+硫黄(0.5) | 较上述胶料加工安全性更高的胶料 | |
ETU(0.3~1.0)+2-硫醇基苯丙咪唑(0.3~0.7)或者TMTM(0.5~1.5)+DOTG(0.5~1.5)+ETU(0.3~1.0)+硫黄(0.5~1.0) | 耐多次变形性能高的硫化胶 | |
ETU(1~1.5)+N,N'-二苯基硫脲(1~2.5) | 自然硫化胶料 | |
得士碳黑R(三苯基甲烷三异氰酸酯)或者得士碳黑RF(硫醇基磷酸三对-异氰酸酯)(10~25)或者N,N'-二苯基硫脲(0.5)+促进剂808(0.5) | 自然硫化胶料 | |
DOTG(0.5~1.5)+TMTM或TMTD(0.5~1.5)+硫黄(0.5~1.5) | 食品工业用橡胶 | |
ETU+TMTM+DOTG+S(按不同比例) | 高温(>420K或147℃)硫化胶料 | |
二乙基硫脲(2.0)+DM(1.0)+DOTG(1.0) | 低温(390K或147℃)硫化胶料 | |
邻苯二酚型,氢醌(对苯二酚)或苯三酚(用量不同) | 低温(353~363K或80~90℃)硫化胶料 | |
二邻苯二酚,硼酸,二邻甲苯胺盐(0.7) | 耐热性高,压缩变形低的通用黑色橡胶,以及早期硫化稳定性较高的胶料 | |
DOTG(0.5)+硫黄(1.0) | 早期硫化倾向性低的快速硫化胶料,压缩变形大的胶料 | |
N,N'-二氨基二苯基甲烷(0.5) | 仅适于黑色胶料的快速硫化 | |
五次甲基二硫代氨基甲酸吡啶(用量不同) | 早期硫化倾向性强的快速硫化胶料 | |
水杨酸(用量不同) | 含少量无机填料的胶料 |
氯丁橡胶干胶通常采用氧化锌+氧化镁硫化体系,但氧化镁会对氯丁橡胶乳 胶产生絮凝作用,导致乳胶稳定性下降,因此乳胶制品的硫化体系需特殊调整,具体要求如下:
硫化剂选择:仅使用氧化锌,不添加氧化镁。
氧化锌用量:根据制品类型调整,普通制品用量为 5~9 份,用量约 7.5 份;半透明制品用量需减少,通常为 3 份;耐热制品用量可增加至 10~20 份,以提升耐热性能。
促进剂复配:为降低硫化温度、缩短硫化时间、改善制品性能,乳胶制品常采用促进剂复配体系,核心促进剂为DPTU(二苯基硫脲):
常规复配:DPTU 2 份,可使乳胶在100℃×30min 达到适宜硫化程度。
活化复配:DPTU 2 份+TT(TMTD)2.2~3 份+促进剂 D 1 份,可使乳胶在 100℃×15~20min 完成硫化,大幅提升生产效率。
特殊需求:对于耐油、需与纤维接触的氯丁橡胶乳胶制品,可采用 DPTU 2 份与 TETD(二硫化四乙基秋兰姆)2 份并用,兼顾耐油性和粘接性能。
橡胶硫化促进剂 TBTU(TBU)
橡胶硫化促进剂 TMU
ZPDC
WILLING SDD(福美钠)
橡胶稳定剂ZBS
橡胶硫化促进剂DDTS
防老剂ZMMBI
N-(4-苯胺基苯基)马来酰亚胺(MC)
抗氧防老剂 DFC-34
抗氧剂KY-405
防老剂DDA
抗氧防老剂 SP
防老剂NLB
防老剂NAPA
防老剂NAPMA
防老剂TPPD
橡胶稳定剂CDBC
橡胶稳定剂NDMC
橡胶稳定剂NDBC
橡胶稳定剂NDiBC
防老剂MMB
防老剂MBZ
防老剂MB
橡胶塑解剂DBD(SS)
聚三聚硫氰酸(PTMT)
橡胶硫化剂 PDMTD
橡胶硫化剂 DTDC(CLD)
硫化剂TCY
硫化剂 DTDM
HMTA
橡胶硫化促进剂 ZDTP
橡胶硫化促进剂 DOTG
橡胶硫化促进剂 DPG (D)
橡胶硫化促进剂 ETU(NA-22)
橡胶硫化促进剂 DPTU(CA)
橡胶硫化促进剂 DETU
橡胶硫化促进剂 DBTU
橡胶硫化促进剂 LaDC
橡胶硫化促进剂SDBC(TP)
橡胶硫化促进剂TTBI
橡胶硫化促进剂SBEC
橡胶硫化促进剂 TDEC
橡胶硫化促进剂 TTFe
橡胶硫化促进剂TTCu(CDD)
橡胶硫化促进剂ZDIBC(IBZ)
橡胶硫化促进剂ZBEC(ZBDC ZTC)
橡胶硫化促进剂ZnEPDC(PX)
橡胶硫化促进剂ZDBC(BZ)
橡胶硫化促进剂ZDEC(ZDC、EZ)
橡胶硫化促进剂 ZDMC(PZ)
橡胶硫化促进剂 TIBTM
橡胶硫化促进剂 TRA(DPTT-6)
橡胶硫化促进剂 TBzTD
橡胶硫化促进剂 TIBTD
橡胶硫化促进剂 TMTM(TS)
橡胶硫化促进剂 TBTD
橡胶硫化促进剂 TETD
橡胶硫化促进剂 TMTD(TT)
促进剂CBBS
促进剂TBSI
橡胶硫化促进剂 OTOS
橡胶硫化促进剂 DCBS
橡胶硫化促进剂 NOBS(MBS)
橡胶硫化促进剂 TBBS(NS)
橡胶硫化促进剂 CBS(CZ)
橡胶硫化促进剂MTT
中间体BT
橡胶硫化促进剂MDB
橡胶硫化促进剂64
橡胶硫化促进剂ZMBT(MZ)
橡胶硫化促进剂MBT(M)
橡胶硫化促进剂MBTS(DM)
不溶性硫磺
WILLING WL-101