橡胶发泡材料的研究进展 橡胶发泡材料的研究进展 姜军 （天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，３００３８４） 摘要：介绍橡胶发泡材料的发泡方法、工艺机理情况，并对发泡橡胶的应用前景进行了展望。 关键词：橡胶；发泡；海绵；微孔。 橡胶发泡材料是在橡胶基体材料中存在大量 的气泡或孔洞的材料，是一种由气固两相组成的 复合材料，又称为橡胶海绵、泡沫橡胶或微孔橡 胶。橡胶发泡材料不仅节约了橡胶成本，还能提 高了保温、隔热、减震等一系列特点，已成为人 们生产生活中不可缺少的材料。 偶氮二甲酰氨（ＡＣ）、二亚硝基五次甲基四胺（Ｈ 或ＤＰＴ）等高效、非污染型有机化学发泡剂和碳 酸氢钠（ＮａＨＣＯ３）等无机化学发泡剂，他们都是 通过混炼加入到橡胶中，通过加热释放出氮气或 者二氧化碳，使橡胶膨胀发泡。 使用化学发泡剂制备的橡胶发泡材料又在成 型工艺基本上可分为自由发泡法、模压法。 橡胶材料发泡方法： 模压法：将混有发泡剂和交联剂的混炼胶置 于密闭加压的模腔中，在热的作用下橡胶交联和 发泡剂分解同时进行，分解产生的气体在密闭高 压下溶于橡胶基材中，同时橡胶均匀交联保有一 定强度。然后卸压、开模，这时溶于橡胶基材中 的气体在基材中形成泡核并进一步生长，获得发 按发泡剂分为物理发泡法和化学发泡法，按 照泡孔是否连通分为闭孔发泡材料和开孔发泡材 料，按照泡孔的大小又分为普通发泡材料和微孔 发泡材料。 物理发泡法的发泡剂通常是低沸点的烷烃 类、二氧化碳、氮气等通过高压力使压入热聚合 物熔体中，再减压使其膨胀成泡孔，这个过程就 泡倍率高的发泡材料。按照生产工艺特点，模压 法可分为一步模压法和两步模压法。一步模压法 是在加工过程中仅对混炼胶料采用一次模压加 工，即在高压密闭的模腔中对胶料进行加热，使 橡胶硫化的同时发泡剂分解，当橡胶交联到一定 是发泡剂从液态变为气态，只改变了相态，没有 新物质生成而制成发泡制品。化学发泡法的发泡 剂通常是 程度后卸去压力，发泡材料从模具中弹出，得到 发泡制品。该工艺制品易变形或开裂，且发泡材 作者简介：姜军，男，（１９８２～）辽宁工程技术大 学材料学硕士。现就职天津市橡胶工业研究所有限公 司，研发工程师。 料的后收缩较大。两步模压法可以在一定程度上 克服上述不足，即在第一阶段进行胶料的预硫化 和部分发泡，然后在规格比原先大２０～５０％的另一 个模具内进行第二次加热，使发泡剂完全分解， 橡塑资源利用 由于第二步模压是充模，因而可有效降低模腔内 的气体压力，制得发泡倍率高的厚壁制品，并降 低了制品的后收缩率。但两步模压法在预硫化阶 段，由于长时间的温度积累，也会发生部分发泡 剂的分解，且整个工艺过程耗时较长，即耗费能 微波硫化法微波是频率在３００兆赫到３００千 兆赫的电磁波，压出胶胚通过交变电磁场，在快 速变化的高频电磁场作用下，其极性取向将随着 外电场的变化而变化，造成分子的运动而相互磨 擦，微波场的场能转化为介质内的热能，使物料 温度升高，达到微波加热的目的。与传统加热方 法不同，微波硫化是将微波能量穿透到被加热介 源又耗费时间，会大大降低工业化生产效率。为 了改善预硫化的长时间温度积累，出现了不用添 加交联剂的硫化预处理方法，如鲍矛等 ０］研究结 果表明：辐射预硫化技术能有效提高橡胶胶料的 质内部直接进行整体加热，因而具有加热时间较 短且加热均匀的优点。牛明军等 ］以三聚氰胺和 格林强度，使之具有一定的预交联度；电子加速 器和Ｙ射线都能实现橡胶的辐射预硫化处理。刘江 伟等Ｌ４Ｊ用电子加速器辐射技术对三元乙丙生胶片 进行辐射预处理，制备的发泡材料闭孔性及力学 性能都随之提高。 另外根据胶坯在模腔中填充程度的不同，一 多聚甲醛为原料合成了三聚氰胺甲醛树脂并利用 微波加热发泡工艺进行发泡。 化学发泡法加工过程中对发泡剂的研究主要 集中在发泡剂分解机理，旨在提高发泡剂的利用 效率以满足具体加工过程的需要。如二盐、三盐、 硬脂酸铅、氧化锌、柠檬酸和硬脂酸等均能加速 发泡剂ＡＣ的分解，原因是由于三盐等活化剂的 步模压法又分为膨胀法【５Ｊ和充模法［６］两种。 膨胀法工艺适用制备海绵底等结构简单、尺 寸精度不高的产品。冲模法适用制造辊筒，机械 配件等具有一定几何形状的橡胶发泡制品。 自由发泡法：也称无模硫化法，常压发泡法， 主要适用于制备片材形状的橡胶发泡制品，可连 金属离子能接受孤对电子，属于路易斯酸类物质， 而偶氮基中的氮原子和羧基中的羰基上有孤对电 子，是路易斯碱类物质，故发泡剂ＡＣ活化的本 质是路易斯酸一碱相互作用。氧化锌的活化主要 是锌化合物中的锌离子外围电子排布为４ｓ２４矿， 具有空轨道，而发泡剂ＡＣ结构中氮、氧上都含 有孤对电子。根据路易斯酸一碱配位原理，当发 续化生产。混有发泡剂、交联剂的混炼胶先由橡 胶挤出机挤出成片，随后进入连续硫化装置进行 橡胶硫化及发泡，主要的硫化方法有盐浴法，沸 腾床法，发泡炉法和微波法。 盐浴法是由亚盐和盐按比例组成的 共熔混合物，根据配方需要通常将盐浴加热到 １７０～３００℃之间，片材制品以一定的速度经过 ５－１５ｍ长的盐浴硫化槽，得到发泡制品。 泡剂ＡＣ上的氮、氧原子上的孤对电子进入氧化 锌的空轨道后二者结合到一起，同时．Ｎ—Ｃ一上的 ７ｒ键上电子云流动，使一Ｎ—Ｃ一电子云浓度流向两 边，从而导致．Ｎ＿一Ｃ一键容易断裂，使发泡剂ＡＣ 的分解温度降低。柠檬酸和硬脂酸都能促进发泡 剂ＡＣ分解。发泡剂ＡＣ分解的产物中含有碱性 物质，而柠檬酸分子结构中含有较多的羧基，具 有酸性，故柠檬酸和硬脂酸可以活化发泡剂ＡＣ。 沸腾床法又称硫化床或流动床硫化法，用具 有稳定温度的热载体给橡胶加热发泡，热载体是 由载体容器下面吹入热空气，呈现沸腾的流动状 王耀刚，徐志国等人Ｌ８Ｊ研究了发泡剂ＡＣ在ＥＰＤＭ 橡胶中的热分解行为发现，随着硫化剂用量的增 大而减小。Ｊａａｆａｒ和Ｓｉｍｓ等人 Ｊ研究了ＡＣ的分 态，热载体的粒径越细，对橡胶件传热越好，通 常选用粒径在１５０～２５０￣ｔｍ的玻璃微珠。 橡塑资源利用 料中原有的裂纹尖端钝化，有利于阻止裂纹在应 力作用下扩展，从而改善材料的力学性能。所以 微孔发泡材料和一般小泡孔发泡材料是不同的品 种。 进行物理发泡，得出的材料泡孔均匀，性能较好。 对橡胶发泡材料的应用： 随着现代工业的发展，泡沫材料的应用越来 目前微孔发泡材料发泡剂只能用物理发泡剂 在超临界流体状态下，通过橡胶挤出发泡和橡胶 注塑发泡工艺制备。超临界流体（简称ＳＣＦ）是 当纯流体的温度和压力处于它的临界温度和临界 压力以上时，该流体处于超临界状态，其物理和 化学性质介于液体和气体之间。 越广泛，如：保温隔热，防水，轻质夹层材料， 汽车发动机密封器，高性能的橡胶发泡材料则在 军事、航空航天等尖端领域发挥重要作用，尤其 在交通运输工具上的应用，如用作机动车辆的整 体软垫，汽车坐垫后撑只需要耐受次要负荷，因 此可以用较低密度的橡胶发泡材料制造。飞机、 火车座位的舒适性都离不开橡胶发泡材料，摩托 车座位一般要求使用高密度的橡胶发泡材料，部 分原因是必须吸收剧烈震动的能量，另外是因为 采用超临界流体方法制备微孔发泡材料的基 本原理是：利用超临界流体（ＣＯ２和Ｎ２）高度饱 和的聚合物熔体／气体均相混合体系在冷却过程 中产生极大的热力学不稳定性的特点，通过控制 单位面积上承载量高。这些都与人类息息相关， 做好橡胶发泡材料的深入广泛研究，增加特殊性， 保留原有好的特性，将来会在社会中发挥越来越 重要的角色。 或改变体系的压力和温度等工艺参数的方法使橡 胶中形成大量的以超临界介质为泡核的微孔发泡 材料。周晓涛 ｏＪ通过熔融共混ＥＰＤＭ／ＬＤＰＥ制备 标准试样，使用超临界二氧化碳在高压反应釜中 参考文献： １．鲍矛，李淑凤，矫阳，等．多官能团不饱和单体对天然 橡胶辐射预硫化效应的研究［Ｊ］．辐射研究与辐射工艺学 报，２００８，２６（３）：１５７～１６ｏ． ２００３．３９（５）：Ｐ．３５３．３６７． ６．齐小宁，李和平．加工工艺对发泡橡胶结构的影响．橡 塑技术与装备，２００３（Ｉ）． ７．牛明军，张小瑞，李银风，李圆圆，张丽，陈周金．三 ２．鲍矛，矫阳，康兴川，等．ｖ射线辐射预硫化天然橡胶 的研究［Ｊ］．同位素，２００８，２１（２）：１１４－１１６． ３．鲍矛，康兴川，矫阳，等．ｖ射线及电子束辐射预硫化 天然橡胶的比较研究［Ｊ】＿特种橡胶制品，２００８，２９（２）： １７—１９．１．王耀刚，徐志围．发泡剂ＡＣ在ＥＰＤＭ胶料中的热 分解研究啪．橡胶工业，２００１，８（４８）：４７５－４７７． ４．刘江伟，郭月莹，矫阳，陆永俊．辐射预硫化技术在 ＥＰＤＭ发泡材料制备过程中的应用研究［Ｊ］．原子能科学 技术，２０１０，９（４４）６４２～６４４． ５．Ｂｕｒｅａｕ Ｍ．Ｎ．ａｎｄ Ｒ Ｇｅｎｄｒｏｎ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ＰＳ ｆｏａｍｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｐｌａｓｔｉｃｓ， 聚氰胺甲醛的微波发泡工艺研究［Ｊ］．工程塑料应用 ２０１５（０８） ８．王耀刚，徐志围．发泡剂ＡＣ在ＥＰＤＭ胶料中的热分解 研究［ｊ］．橡胶工业，２００１，８（４８）：４７５－４７７． ９．Ｓｉｍｓ ＧＬＡ，Ｊａａｆａｒ ＨＡＳ．Ａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｌｏｗｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ（ＣＢＡＳ）ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｚｏｄｉｃａｒｂｏｎａｍｉｄｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｌａｓｔｉｃｓ，１ ９９４，（３Ｏ）：１ ７５ １０．周晓涛．超临界二氧化碳发泡ＥＰＤＭ／ＬＤＰＥ热塑性弹 性体微孔泡沫的研究［Ｄ】．广东工业大学硕士学位论 文．２０１４。５
