一文深入了解橡膠材料的種類、特性與應(yīng)用

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橡膠，一種具有可逆形變的高彈性聚合物材料，在室溫下富有彈性，受外力作用能產(chǎn)生較大形變，外力去除后可恢復(fù)原狀。其屬于完全無(wú)定型聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）低，分子量很大，超幾十萬(wàn)。橡膠主要分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。

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一、天然橡膠（NR）

天然橡膠（NR）源于橡膠植物樹(shù)提取，具備彈性好、強(qiáng)度高、絕緣性佳、變形小且加工方便等優(yōu)點(diǎn)。NR 是橡膠樹(shù)體內(nèi)的聚異戊二烯，早在 1826 年 Faraday 測(cè)定其分子化學(xué)式為 C5H8，后來(lái)借助紅外光譜和高分辨率核磁共振儀，確定其分子結(jié)構(gòu)為順式 - 1,4 - 聚異戊二烯，含量高達(dá) 99%。NR 生膠密度 0.9 - 0.95g/cm3，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

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NR 的主要性能如下：

1.?力學(xué)性能 ：常溫下分子鏈無(wú)定形、柔順性好，彈性出色，彈性伸長(zhǎng)率可達(dá) 1000%。分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，受外力能取向結(jié)晶，自補(bǔ)強(qiáng)性好，硫化后拉伸強(qiáng)度 15 - 20MPa，炭黑補(bǔ)強(qiáng)后 25 - 30MPa，抗撕裂性強(qiáng)，撕裂強(qiáng)度 98kN/m。

2.?老化性能 ：分子鏈含碳碳雙鍵，易與空氣氧、臭氧發(fā)生氧化、裂解反應(yīng)，導(dǎo)致老化。

3.?耐高低溫性能 ：玻璃化溫度約 - 72℃，低溫保彈性，耐寒性佳。200℃左右開(kāi)始分解，270℃時(shí)激烈分解。

4.?耐介質(zhì)性能 ：非極性物質(zhì)，易溶于非極性溶劑和油，不耐汽油、苯等介質(zhì)。

5.?電性能 ：非極性，絕緣性好，體積電阻率 1015 - 1017Ω·cm，硫化后因極性物質(zhì)加入絕緣性下降。

6.?其他性能 ：耐磨、耐疲勞，廣泛用于汽車(chē)輪胎、懸置系統(tǒng)及緩沖塊等。

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二、乙丙橡膠（EPDM）

乙丙橡膠（EPDM）以乙烯、丙烯為主單體，借助齊格勒 - 納塔催化體系發(fā)展起來(lái)，介于通用橡膠與特種橡膠之間。依據(jù)單體差異，分為二元乙丙橡膠（EPM）和三元乙丙橡膠（EPDM），后者含少量非共軛二烯烴。EPDM 生膠密度 0.85 - 0.87g/cm3，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

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EPDM 的主要性能如下：

1.?力學(xué)性能 ：主鏈無(wú)雙鍵，屬飽和橡膠，分子結(jié)構(gòu)無(wú)極性取代基，分子鏈在寬溫度范圍保持柔順，彈性好，僅次于 NR。

2.?老化性能 ：飽和橡膠，化學(xué)穩(wěn)定性高，通用膠中耐老化最佳，抗臭氧性能突出，如密封條在高臭氧濃度下 72h 無(wú)龜裂。

3.?耐高低溫性能 ：玻璃化溫度 - 60 - - 50℃，低溫保彈性。120℃下長(zhǎng)期使用，150 - 200℃可短暫或間歇使用。

4.?耐介質(zhì)性能 ：非極性橡膠，耐極性溶劑，耐水性優(yōu)異，適用于水管制件及新能源汽車(chē)水冷電池包。

5.?電性能 ：極性小，電絕緣性好，體積電阻率 1012 - 1015Ω·cm，吸水性小，浸水后仍保絕緣。

6.?其他性能 ：可發(fā)泡性、壓縮回彈性好，發(fā)泡后用于密封件。但生膠強(qiáng)度低，需補(bǔ)強(qiáng)，自黏性和互黏性差，加工難。

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三、氯丁橡膠（CR）

氯丁橡膠（CR）由 2 - 氯 - 1，3 - 丁二烯聚合而成，外觀乳白、米黃或淺棕，生膠密度 1.11 - 1.13g/cm3，1906 年 Niewland 開(kāi)始研究，1931 年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

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CR 的主要性能如下：

1.?力學(xué)性能 ：自補(bǔ)強(qiáng)性好，含氯原子成為極性橡膠，分子間作用力大，結(jié)構(gòu)規(guī)整易結(jié)晶，拉伸強(qiáng)度 20 - 25MPa。

2.?老化性能 ：主鏈含雙鍵屬不飽和橡膠，但氯原子降低雙鍵活性，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐臭氧和老化。

3.?耐高低溫性能 ：玻璃化溫度約 - 40℃，但分子結(jié)構(gòu)高規(guī)整性和極性使低溫變形難恢復(fù)，脆性斷裂，耐寒性差，使用溫度不低于 - 30℃。耐熱性優(yōu)于 NR，但比 EPDM 差，可 100℃長(zhǎng)期使用，短期不超過(guò) 150℃。

4.?耐介質(zhì)性能 ：極性強(qiáng)，耐油、耐非極性溶劑，用于油管內(nèi)膠、防塵罩等。

5.?電性能 ：氯原子致絕緣性差，體積電阻 1010 - 1012Ω·cm，不適用于高絕緣性制件。

6.?其他性能 ：鹵素存在使其阻燃性優(yōu)異，適用于新能源汽車(chē)電池包周邊制件。

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四、丁腈橡膠（NBR）

丁腈橡膠（NBR）由丁二烯和丙烯腈低溫乳液聚合而成，丙烯腈含量多樣，生膠密度 0.96 - 1.20g/cm3，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

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NBR 的主要性能如下：

1.?力學(xué)性能 ：耐油性佳，用于傳統(tǒng)汽車(chē)燃油系統(tǒng)，但玻璃化溫度 - 20 - - 10℃，耐寒性差。極性基團(tuán)提升不飽和鍵穩(wěn)定性，耐熱性優(yōu)于 NR，長(zhǎng)期使用溫度 100℃，最高不超過(guò) 125℃。不飽和鍵存在致耐臭氧性差。

2.?耐介質(zhì)性能 ：含強(qiáng)極性氰基，耐非極性和弱極性油類、溶劑。

3.?電性能 ：體積電阻 108 - 109Ω·cm，電絕緣性差。

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五、丙烯酸酯橡膠（ACM/AEM）

丙烯酸酯橡膠（ACM/AEM）以丙烯酸酯單體共聚而成，主鏈飽和碳鏈，側(cè)基為極性酯基。杜邦 1975 年推出改進(jìn)版 AEM?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

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丙烯酸酯橡膠的主要性能如下：

1.?力學(xué)性能 ：機(jī)械性能優(yōu)良，拉伸強(qiáng)度 10 - 15MPa，彈性差，伸長(zhǎng)率 100% - 300%。

2.?老化性能 ：耐老化、耐臭氧性能極好，媲美氟、硅橡膠。

3.?耐高低溫性能 ：耐高溫性能好，可在 200℃以下短期使用，但耐低溫差，脆性溫度 - 20 - - 10℃。

4.?耐介質(zhì)性能 ：耐油性佳，尤其耐熱油，但酯基易水解，不耐水及含水介質(zhì)。

5.?電性能 ：極性基團(tuán)存在致電絕緣性一般。

6.?其他性能 ：耐透氣、抗撕裂、耐磨，因耐油耐高溫性能突出，用于軸封、油封等。

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六、氟橡膠（FKM）

氟橡膠（FKM）主鏈或側(cè)鏈含氟原子，品種多樣，偏氟乙烯類橡膠最常用。第二次世界大戰(zhàn)期間開(kāi)發(fā)，我國(guó) 1958 年起發(fā)展，現(xiàn)品種繁多，應(yīng)用領(lǐng)域拓展到民用。化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

主要性能如下：

1.?力學(xué)性能 ：機(jī)械性能優(yōu)良，拉伸強(qiáng)度 10 - 20MPa，彈性差，伸長(zhǎng)率 150% - 350%。

2.?老化性能 ：耐老化、耐臭氧性能極佳，如 Vion 型 FKM 存放十年性能仍好。

3.?耐高低溫性能 ：耐高溫最佳，長(zhǎng)期使用可達(dá) 250℃，300℃以下可短期使用，但耐寒差，低于 - 25℃變脆。

4.?耐介質(zhì)性能 ：化學(xué)穩(wěn)定性高，耐有機(jī)介質(zhì)、無(wú)機(jī)酸及強(qiáng)氧化性試劑。

5.?電性能 ：分子結(jié)構(gòu)影響電性能，溫度升高絕緣性下降，不能用于高溫絕緣。

6.?其他性能 ：鹵素致阻燃性好，離火自熄，用于耐高溫、耐油及特種介質(zhì)場(chǎng)合。

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七、硅橡膠（Q）

硅橡膠（Q）分子鏈兼具無(wú)機(jī)和有機(jī)特性，硅 - 氧鍵鍵能高，熱穩(wěn)定性好。按硫化方式分熱硫化型（HTV）和室溫硫化型（RTV），按側(cè)基分多種類型。化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

主要性能如下：

1.?力學(xué)性能 ：拉伸強(qiáng)度 4 - 7MPa，耐壓縮性能好，應(yīng)用時(shí)避免受拉力。

2.?老化性能 ：主鏈無(wú)不飽和鍵，硅氧鍵鍵能高，耐臭氧、氧、天候老化。

3.?耐高低溫性能 ：工作溫度 - 100 - 350℃，車(chē)用橡膠中使用溫度范圍最寬。

4.?耐介質(zhì)性能 ：惰性佳，耐液體介質(zhì)性能取決于取代基類型。

5.?電性能 ：Si - O 結(jié)構(gòu)致電絕緣性優(yōu)異。

6.?其他性能 ：阻燃、高透氣、可發(fā)泡，無(wú)毒無(wú)味，具生理惰性，用于生物醫(yī)療如防噪聲耳塞、人造血管等，也用于密封膠、黏接劑等領(lǐng)域。