1.可流动液体橡胶
说起橡胶,人们常常想到的就是生活中常见的以固体形式存在的橡胶制品,然而鲜有人知的是橡胶大家庭中还存在一种神奇的、可流动的液体橡胶。为什么橡胶还可以流动?其实这最主要的原因就在于它的分子量足够低,液体橡胶是一种分子量在2000~10000之间,在室温下为黏稠状流动液体的特殊橡胶品种。
液体橡胶看起来质地柔软,但经过适当的化学反应后可以形成三维网络状结构,同样具有与常见的固体橡胶类似的物理机械性能。固体橡胶要成为产品必须经过与多种配合物质的混炼、成型和硫化等多道程序,需要耗费很多能量;而液体橡胶只需要将各种配合物质掺和进来,通过加热让它产生网络状结构便可得到产品。液体橡胶与各种配合物质掺混后,在未加热情况下仍处于液体状态,比如用它制作小零件时,只需要向模具的小缝隙内注入液体橡胶再加热便可得到,在加工操作方面十分方便,具有不可比拟的独特优势。
此外,液体橡胶还具有一些其他优势:液体橡胶是浇铸型弹性体,加工工艺易于实现机械化、连续化和自动化,可以减轻劳动强度和改善作业环境;加工设备和模型的投资大大减少;有效节约能源与资源;不用溶剂、水等分散介质,可在液体状态下加工;借助橡胶分子链扩展和交联方法,可以广泛调节物理机械性能和硫化速度。
液体橡胶在整个橡胶大家庭中虽然体量占比较小,但种类繁多,几乎所有高分子固体橡胶都有相应低分子量液体橡胶。由于液体橡胶种类繁多,其用途也十分广泛。无官能团的液体橡胶主要用作热固性树脂、涂料、其他橡胶与树脂的添加改性剂。无规羧基液体橡胶可与酸酐和锌、环氧树脂、镁氧化物起交联固化,用作火箭固体推进剂的粘接剂。端羧基液体橡胶主要用作密封材料、胶黏剂和涂料,并具有良好的耐水性、介电性和耐寒性。端卤基液体橡胶主要制备对木材、金属、玻璃以及混凝土的胶黏剂、密封材料以及防水材料。端羟基液体橡胶除用作橡塑改性剂外,还可制成防腐、耐低温、电绝缘及水溶性特种涂料。
此外,一些医疗器械和移植物的制造也使用液体橡胶。在医疗器械领域,医用级液体硅橡胶可生产用于医院和手术室安全使用的耐用、无电抗物品;制作牙齿模具、生产柔韧医学移植物、开发专用医疗设备也可以使用液体硅橡胶;许多液体橡胶还能用着色剂染色,并根据需求调整中性色调。例如,生产拍电影用的假肢就可以用染成演员皮肤颜色的橡胶,在屏幕上给人以假乱真的视觉效果。
2.氟橡胶
氟橡胶也是合成橡胶材料中的一种,是主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体,是现代工业尤其是高新技术领域中不可缺少和替代的基础材料。
氟是一种非金属化学元素,在自然界中广泛分布,在地壳的存量为0.065%,存在量的排序数为13。自然界中氟主要以萤石(CaF2)、冰晶石(Na3AlF6)及氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]形式存在。人体中也含有氟元素,正常成年人体中含2~3克,主要分布在骨骼、牙齿中。在元素周期表中,氟是卤族元素之一,排在卤族最前面,具有非常强的非金属性。将具有这么特殊化学性质的氟元素引入橡胶中,使橡胶具备了优异的耐热性、抗氧化性、耐油性、耐腐蚀性和耐大气老化性。
首先,氟元素是已知的化学元素中负电性最强的元素,氟原子与碳原子组成的C—F键键能很高,例如CF4中的C—F键键能为485千焦/摩,氧化程度最高,使其耐热、抗氧化,不受活泼化学物的侵蚀。
其次,氟原子半径很小,仅为0.064纳米,相当于C—C键键长(0.134纳米)的一半,使氟原子能紧密地排列在碳原子周围,形成了C—C键的屏障,赋予了含氟高分子弹性体突出的化学惰性。
最后,由于氟原子的存在,在其强吸电子效应和对C—C键屏蔽保护的作用下,使C—C键的键长缩短,键能增加。不仅如此,氟化了的碳原子与其他原子结合的键能也相应有所提高,这就提高了含氟高分子弹性体的耐热性和耐腐蚀性。当然,氟原子的引入也有不利影响,虽然使分子的刚性增强,但是柔性和耐寒性有所降低。
氟橡胶有好多种类型,包括氟橡胶23、氟橡胶26、氟橡胶246、氟硅橡胶和全氟橡胶等,这个分类主要是根据合成它的有机物单体确定的,现在市面上被广泛使用的主要有26型、246型等。
随着加工条件的改变,氟橡胶的物理机械性能可在较大范围内调整。氟橡胶的耐高温性能和硅橡胶一样,可以说是目前弹性体中最好的。在真空或空气中的热老化性能因品种而异,氟橡胶26一般在250℃下长期使用,短期使用达到300℃;氟硅橡胶、四丙氟橡胶等在150~220℃的范围下可长期使用。但是,在高温下使用时,它的物理机械性能如抗撕裂性能等明显下降。
氟橡胶具有极好的耐气候老化性能和耐臭氧性能,对日光、臭氧、气候和微生物的作用都很稳定。氟橡胶的耐低温性能较天然橡胶差,能保持弹性的低限温度一般为-20~-15℃;四丙氟橡胶能保持弹性的低限温度仅为0℃;但氟硅橡胶的低温性能优异,可在-60~-40℃的范围下使用。氟橡胶对气体的溶解度比较大,但扩散速度却较小,所以总体表现出来的透气性也小。
由于氟橡胶具有耐高温、耐油、耐高真空、耐酸碱和耐多种化学药品的特点,应用于现代航空、导弹、火箭、宇宙航行、舰艇和原子能等尖端技术,是国防尖端工业中无法替代的关键材料。与此同时,它也在汽车、造船、化学、石油、通信、仪器和机械等工业领域得到广泛应用,可谓是橡胶材料中的多面手。
3.热塑性弹性体
橡胶独有的特性就是具有高弹性,即外力作用能改变材料形状,而外力撤去后材料具有恢复本身形状的特性,这是其他材料(如塑料、纤维等)不具备的,因而生胶如直接用于生产制品,则不能保证制品的固定形状。传统的合成橡胶只有通过硫化交联作用才具有实际使用价值,但是硫化这道工序较为烦琐,既费时费力,又要消耗不少能量。20世纪50年代以后,一类新型的橡胶迅速发展,这便是热塑性弹性体(TPE/TPR)。这类橡胶在加热时像塑料一样有可塑性,完全可以用加工塑料的方法加工,节约了硫化所需要的能源和劳动力;而在常温和较低温度时又像橡胶一样,它的物化性能往往介于传统橡胶和塑料之间。
大多数热塑性弹性体由两部分组成,一部分称作硬段或硬区,呈现塑料性能;另一部分称作软段或软区,呈现橡胶性能。两部分整合的结果,使材料的性能具有两重性。例如当前产量最大的丁苯热塑性弹性体(SBS)就是由聚苯乙烯硬段和聚丁二烯软段相互嵌接而成的。
在科学家的调教下,这项技术已成为一种十分有趣的技巧性工艺。人们可以按照设计制造出各种结构式样的产品,而且生产工艺也可灵活多样。例如,可以让苯乙烯先聚合,反应过半时加入丁二烯,让丁二烯抢先与有活性的聚苯乙烯链段聚合,最后再让另一半苯乙烯聚合,这样便生成了三嵌段形状的SBS。
SBS主要用在制鞋、沥青改性、塑料改性和黏合剂等领域。在制鞋方面,由于SBS生产成本低,加工工艺简单以及性能优良(包括弹性、抗湿滑性和轻便性等),已成为鞋底材料的主导产品。改性沥青可用作铺覆路面材料及防水材料。以铺路为例,SBS改性道路沥青可避免普通沥青在夏季高温时路面老化、黏胎和在冬季发生低温脆裂、疲劳开裂等问题,不但大大提高路面寿命,还大大提高乘车舒适性和安全性。我国“国门第一道”的首都机场高速公路就采用了SBS改性沥青。
SBS热塑性弹性体的优点不少,可是缺点也很明显:随着温度的升高,它容易变形,力学性能迅速变坏,耐热老化性能不理想。后来又开发生产了氢化SBS,在一定程度上克服了这方面的缺点。
热塑性弹性体的形象时而出现在塑料行业,时而出现在橡胶行业,它和两个行业都有着“血缘”关系。
20世纪70年代以来,热塑性弹性体的增长速度远远超过一般的合成橡胶,而且发展前景很好。热塑性弹性体TPE/TPR材料已成为取代传统橡胶的最新材料,其环保、无毒、手感舒适、外观精美,使产品更具创意,因此也是一种更具人性化、高品位的新型合成材料,也是世界化标准性环保材料。热塑性弹性体的发展适应保护生态、改善环境的大趋势,如今它已被广泛应用于汽车、建筑、家具、电器、食品包装和医疗等行业。
4.聚氨酯橡胶
1961年,美国3M公司首次采用聚氨酯(PU)材料铺设赛马跑道。1968年的墨西哥奥运会组委会宣布正式启用聚氨酯塑胶跑道作为官方赛道,并将其指定为国际体育赛事必备设施,从此历届奥林匹克运动区、辅助区均采用了聚氨酯塑胶铺装,成为目前国际上运动场地最佳铺装材料之一,在世界各国得到大力推广应用。国内第一条聚氨酯塑胶跑道诞生于1979年,建设在北京工人体育馆。
随着全民健身运动的深入开展及塑胶跑道行业技术水平的日益成熟,聚氨酯塑胶跑道也从专业竞技赛场走近大众生活,成为人们生活中必不可少的“全天候”田径运动场。那么它是如何在众多的地面装饰材料中脱颖而出,成为运动场上不可或缺的“霸主”呢?具体原因见以下的分解:
(1)弹性极佳。聚氨酯是一种高分子化合物,因其耐曲折、拉伸性强、柔软性以及透气性好而被广泛应用,聚氨酯塑胶具有上硬下弹的性能。
(2)具有超强的弹性。铺装在运动场地面上,可以有效提高运动的缓冲力,从而减少对运动员脚踝、关节和韧带的伤害,同时还能降低在运动中因跌、摔造成的意外伤害。
(3)面层坚韧耐磨。聚氨酯塑胶跑道地面面层具有坚韧、密实的性能,不易被鞋底或其他硬物刮花,其耐磨性能也比较好,可以长时间使用,寿命较长。
(4)耐候性极佳。一些运动场都建设在户外,经常受风吹日晒,其他的地面装饰材料很容易出现褪色现象,严重影响美观程度。但是聚氨酯材料不会因为紫外线的照射以及雨水的侵袭而出现褪色的现象,可以一直保持鲜亮的颜色。
(5)抗风化性能好。户外的运动场地不可避免地有风吹日晒等情况,这些情况对于一般地面都有侵蚀作用,会造成地面的粉化或者软化现象,而聚氨酯材料却不会出现这种情况。
塑胶跑道的铺面材料主要由PU预聚体、PU橡胶颗粒或三元乙丙橡胶(EPDM)颗粒、稀释剂等多种分子量不同、化学性质活泼、结构稳定性互异的有机烃类及其衍生物组成,是一种具有橡塑特性的合成材料弹性体。由于聚氨酯橡胶具备减震、防水、高弹和耐磨等特性,还被广泛应用于体育防护器材的生产和制备中,如头盔、衣料、内衬和鞋包等。
5.硅橡胶
硅橡胶是合成橡胶大家族中的一员,也是一种高分子材料。高分子即那些分子量非常高的化合物,它们的分子量可以高达几千甚至是上百万。而普通的分子,例如平时生活中离不开的水,它的分子式是H2O,分子量只有18,可见,高分子的分子量实在是太高了。
所谓硅橡胶,顾名思义,就是这类橡胶里面含有硅元素。硅在大自然中含量很多,分布也很广,它是地壳中除氧元素之外最多的元素,约占地球表面的28%,是组成岩石矿物的一个基本元素。虽然硅常见,但它的作用远超过人们的一般认识,硅在电子行业有着非常重要的应用,是制作手机、电脑等芯片的原材料。除此之外,硅还有一个非常重要的应用,就是用来制作在食品和医疗工业中大显身手的硅橡胶。为什么硅元素在不同的领域会有不同的应用呢?这主要是因为硅元素在其中的存在形式不同,芯片中的硅元素是以单晶硅的形式存在的,而在硅橡胶中则是以有机硅的形式存在的。有机硅就是那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物。在硅橡胶中,无数个硅(Si)原子和氧(O)原子通过“手拉手”的方式连接在一块儿,形成高分子聚合物的主链。
硅橡胶这种独特的结构,使它兼备了无机材料与有机材料的性能,它可在180℃下工作很长时间,稍高于200℃也能承受,工作数周或更长时间而仍然有弹性,瞬间可耐300℃以上的高温。因为硅橡胶有非常好的耐高温性能,所以它在航空航天、电子、化工、仪表、电器、汽车和机械等工业领域被广泛地应用。硅橡胶只有很强的耐高温性能吗?那你可就小瞧它了,它的耐低温性能也非常好,一般在-55℃下依然能正常工作,特殊配方的硅橡胶可在-100℃下正常工作。硅橡胶优异的耐寒性对其应用于航空航天工业的意义重大,可用作宇航器的密封圈、垫片、转换开关罩、弹性导管和发动机支架。与此同时,硅橡胶很难被燃烧,且耐辐射、有很好的电绝缘性能。硅橡胶对氧、臭氧及紫外线等十分稳定,在不加任何添加剂的情况下,硅橡胶制品就具有优良的耐候性,如生活中用的硅橡胶水杯,使用很久都不会出现损坏。此外,硅橡胶还具有生理惰性,因其不会导致凝血的突出特性,所以被应用在医疗行业中。
硅橡胶在日常生活中非常常见,根据用途可分为普通级硅橡胶、食品级硅橡胶和医用级硅橡胶等。硅胶床垫、硅胶手套和硅胶导热垫等都属于普通级硅橡胶。食品级硅胶指用于和饮食接触的器材的硅橡胶,其无毒无味,不溶于水和任何溶剂,是一种高活性的绿色产品,例如水杯、食用模具和锅铲等。医疗级硅胶无色、无毒,其不仅耐高温、耐氧化,柔韧性、透明性也高,同时还具有良好的相容性,能大大降低排异和畸变的发生率。有一种硅橡胶制品大家或多或少都了解一些,它就是硅胶假体,一般用于整容方面,例如硅胶假体隆鼻、硅胶假体额头和硅胶假体下巴等,其生物相容性好,对人体组织刺激小,可塑性强。当然,硅橡胶制品在医疗行业中的应用远不止于这些,硅胶不易降解,可以用在很多医疗辅助等方面,如心脏起搏器、心脏瓣膜、缝合材料、润滑剂、皮下缝针及注射器、血袋的表层等。