一文深入了解橡胶材料的种类、特性与应用

 

橡胶，一种具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，受外力作用能产生较大形变，外力去除后可恢复原状。其属于完全无定型聚合物，玻璃化转变温度（Tg）低，分子量很大，超几十万。橡胶主要分为天然橡胶和合成橡胶两大类。

 

一、天然橡胶（NR）

天然橡胶（NR）源于橡胶植物树提取，具备弹性好、强度高、绝缘性佳、变形小且加工方便等优点。NR 是橡胶树体内的聚异戊二烯，早在 1826 年 Faraday 测定其分子化学式为 C5H8，后来借助红外光谱和高分辨率核磁共振仪，确定其分子结构为顺式 - 1,4 - 聚异戊二烯，含量高达 99%。NR 生胶密度 0.9 - 0.95g/cm³，化学结构式如下：

 

NR 的主要性能如下：

1. 力学性能 ：常温下分子链无定形、柔顺性好，弹性出色，弹性伸长率可达 1000%。分子结构规整，受外力能取向结晶，自补强性好，硫化后拉伸强度 15 - 20MPa，炭黑补强后 25 - 30MPa，抗撕裂性强，撕裂强度 98kN/m。

2. 老化性能 ：分子链含碳碳双键，易与空气氧、臭氧发生氧化、裂解反应，导致老化。

3. 耐高低温性能 ：玻璃化温度约 - 72℃，低温保弹性，耐寒性佳。200℃左右开始分解，270℃时激烈分解。

4. 耐介质性能 ：非极性物质，易溶于非极性溶剂和油，不耐汽油、苯等介质。

5. 电性能 ：非极性，绝缘性好，体积电阻率 1015 - 1017Ω·cm，硫化后因极性物质加入绝缘性下降。

6. 其他性能 ：耐磨、耐疲劳，广泛用于汽车轮胎、悬置系统及缓冲块等。

 

二、乙丙橡胶（EPDM）

乙丙橡胶（EPDM）以乙烯、丙烯为主单体，借助齐格勒 - 纳塔催化体系发展起来，介于通用橡胶与特种橡胶之间。依据单体差异，分为二元乙丙橡胶（EPM）和三元乙丙橡胶（EPDM），后者含少量非共轭二烯烃。EPDM 生胶密度 0.85 - 0.87g/cm³，化学结构式如下：

 

EPDM 的主要性能如下：

1. 力学性能 ：主链无双键，属饱和橡胶，分子结构无极性取代基，分子链在宽温度范围保持柔顺，弹性好，仅次于 NR。

2. 老化性能 ：饱和橡胶，化学稳定性高，通用胶中耐老化最佳，抗臭氧性能突出，如密封条在高臭氧浓度下 72h 无龟裂。

3. 耐高低温性能 ：玻璃化温度 - 60 - - 50℃，低温保弹性。120℃下长期使用，150 - 200℃可短暂或间歇使用。

4. 耐介质性能 ：非极性橡胶，耐极性溶剂，耐水性优异，适用于水管制件及新能源汽车水冷电池包。

5. 电性能 ：极性小，电绝缘性好，体积电阻率 1012 - 1015Ω·cm，吸水性小，浸水后仍保绝缘。

6. 其他性能 ：可发泡性、压缩回弹性好，发泡后用于密封件。但生胶强度低，需补强，自黏性和互黏性差，加工难。

 

三、氯丁橡胶（CR）

氯丁橡胶（CR）由 2 - 氯 - 1，3 - 丁二烯聚合而成，外观乳白、米黄或浅棕，生胶密度 1.11 - 1.13g/cm³，1906 年 Niewland 开始研究，1931 年实现工业化，化学结构式如下：

 

CR 的主要性能如下：

1. 力学性能 ：自补强性好，含氯原子成为极性橡胶，分子间作用力大，结构规整易结晶，拉伸强度 20 - 25MPa。

2. 老化性能 ：主链含双键属不饱和橡胶，但氯原子降低双键活性，分子结构稳定，耐臭氧和老化。

3. 耐高低温性能 ：玻璃化温度约 - 40℃，但分子结构高规整性和极性使低温变形难恢复，脆性断裂，耐寒性差，使用温度不低于 - 30℃。耐热性优于 NR，但比 EPDM 差，可 100℃长期使用，短期不超过 150℃。

4. 耐介质性能 ：极性强，耐油、耐非极性溶剂，用于油管内胶、防尘罩等。

5. 电性能 ：氯原子致绝缘性差，体积电阻 1010 - 1012Ω·cm，不适用于高绝缘性制件。

6. 其他性能 ：卤素存在使其阻燃性优异，适用于新能源汽车电池包周边制件。

 

四、丁腈橡胶（NBR）

丁腈橡胶（NBR）由丁二烯和丙烯腈低温乳液聚合而成，丙烯腈含量多样，生胶密度 0.96 - 1.20g/cm³，化学结构式如下：

 

NBR 的主要性能如下：

1. 力学性能 ：耐油性佳，用于传统汽车燃油系统，但玻璃化温度 - 20 - - 10℃，耐寒性差。极性基团提升不饱和键稳定性，耐热性优于 NR，长期使用温度 100℃，最高不超过 125℃。不饱和键存在致耐臭氧性差。

2. 耐介质性能 ：含强极性氰基，耐非极性和弱极性油类、溶剂。

3. 电性能 ：体积电阻 108 - 109Ω·cm，电绝缘性差。

 

五、丙烯酸酯橡胶（ACM/AEM）

丙烯酸酯橡胶（ACM/AEM）以丙烯酸酯单体共聚而成，主链饱和碳链，侧基为极性酯基。杜邦 1975 年推出改进版 AEM。化学结构式如下：

 

丙烯酸酯橡胶的主要性能如下：

1. 力学性能 ：机械性能优良，拉伸强度 10 - 15MPa，弹性差，伸长率 100% - 300%。

2. 老化性能 ：耐老化、耐臭氧性能极好，媲美氟、硅橡胶。

3. 耐高低温性能 ：耐高温性能好，可在 200℃以下短期使用，但耐低温差，脆性温度 - 20 - - 10℃。

4. 耐介质性能 ：耐油性佳，尤其耐热油，但酯基易水解，不耐水及含水介质。

5. 电性能 ：极性基团存在致电绝缘性一般。

6. 其他性能 ：耐透气、抗撕裂、耐磨，因耐油耐高温性能突出，用于轴封、油封等。

 

六、氟橡胶（FKM）

氟橡胶（FKM）主链或侧链含氟原子，品种多样，偏氟乙烯类橡胶最常用。第二次世界大战期间开发，我国 1958 年起发展，现品种繁多，应用领域拓展到民用。化学结构式如下：

主要性能如下：

1. 力学性能 ：机械性能优良，拉伸强度 10 - 20MPa，弹性差，伸长率 150% - 350%。

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

3. 耐高低温性能 ：耐高温最佳，长期使用可达 250℃，300℃以下可短期使用，但耐寒差，低于 - 25℃变脆。

4. 耐介质性能 ：化学稳定性高，耐有机介质、无机酸及强氧化性试剂。

5. 电性能 ：分子结构影响电性能，温度升高绝缘性下降，不能用于高温绝缘。

6. 其他性能 ：卤素致阻燃性好，离火自熄，用于耐高温、耐油及特种介质场合。

 

七、硅橡胶（Q）

硅橡胶（Q）分子链兼具无机和有机特性，硅 - 氧键键能高，热稳定性好。按硫化方式分热硫化型（HTV）和室温硫化型（RTV），按侧基分多种类型。化学结构式如下：

主要性能如下：

1. 力学性能 ：拉伸强度 4 - 7MPa，耐压缩性能好，应用时避免受拉力。

2. 老化性能 ：主链无不饱和键，硅氧键键能高，耐臭氧、氧、天候老化。

3. 耐高低温性能 ：工作温度 - 100 - 350℃，车用橡胶中使用温度范围最宽。

4. 耐介质性能 ：惰性佳，耐液体介质性能取决于取代基类型。

5. 电性能 ：Si - O 结构致电绝缘性优异。

6. 其他性能 ：阻燃、高透气、可发泡，无毒无味，具生理惰性，用于生物医疗如防噪声耳塞、人造血管等，也用于密封胶、黏接剂等领域。