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认识丁二烯橡胶(一)

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  合成橡胶是人们采用化学方法人工合成的一种性能类似或超过天然橡胶的新型有机高分子弹性体。它是以石油、天然气、煤炭或农副产品为初始原料,通过多种化学方法先制取合成橡胶的基本原料,再经过聚合或缩合反应以及凝聚、洗涤、脱水、干燥、成型等工序,制得具有弹性的高分子均聚物或共聚物。合成橡胶是三大合成材料之一,其产量仅低于合成树脂和合成纤维。

  按照使用特性不同,合成橡胶主要可分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两大类。

  通用合成橡胶指可以部分或全部代替天然橡胶使用的橡胶,综合性能全、生产量大和用途面广,如丁苯橡胶、丁二烯橡胶和异戊橡胶等。通用橡胶的需求量大,是合成橡胶的主要品种。

  特种合成橡胶是指具有耐高温、耐油、耐臭氧、耐老化和高气密性等特点的橡胶,常用的有丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶和苯乙烯类热塑性弹性体等。

图表1:合成橡胶的分类

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  按照之前上海期货交易所合成橡胶期货方案(草案)的介绍,预期挂牌上市的合成橡胶品种是丁二烯橡胶。丁二烯橡胶,国际通用代号为BR,是以丁二烯为单体,采用不同催化剂和聚合方法合成的一种弹性体均聚物。

  根据催化剂种类、聚合技术和条件的不同,BR的单体的含量也不同。人们通常把顺式-1,4-含量超过90%的产品称为顺丁橡胶。

丁二烯橡胶简史

  早在1910年前后,英国、德国和俄国等国家的科学家先后发现用金属钠的分散体可将丁二烯制得类似橡胶状聚合物,但凝胶含量高,聚合物的性能远比天然橡胶低劣。20世纪30年代前后,德国、苏联采用金属钠催化剂以气相块状聚合方法实现了丁二烯橡胶工业化大生产。经过近一个世纪的发展,尤其和齐格勒-纳塔催化剂的发现,丁二烯橡胶于1964年开始成为第二大合成橡胶,并且一直保持至今,与天然橡胶、丁苯橡胶一起成为了轮胎工业不可替代的主要原料胶种。

图表2:国外丁二烯橡胶发展简史

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图表3:国内丁二烯橡胶发展简史

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丁二烯橡胶分类

  按聚合方法不同,丁二烯橡胶可分为溶液聚合丁二烯橡胶、乳液聚合丁二烯橡胶和本体聚合丁钠橡胶三种。第一种品种最多,性能最好,第三种已经淘汰。

  溶液聚合丁二烯橡胶按照微观结构进一步分类为高顺式、低顺式和中乙烯基聚丁二烯等。具体包括:①高顺式:顺式96%-98%;②中顺式:顺式92%-95%;③低顺式:顺式35%-40%;④反式:反式94%-99%;⑤高乙烯基1,2-聚丁二烯橡胶:乙烯基70%以上;⑥中乙烯基1,2-聚丁二烯橡胶:乙烯基35%-55%。

  按照催化剂种类不同,丁二烯橡胶可以分为以下五个体系:锂系、钛系、钴系、镍系和钕系。

图表4:不同催化剂的丁二烯橡胶性能对比

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资料来源:橡胶工业

  目前,国内采用最多的催化剂体系是镍系,发展前景好的是更具优势的钕系。随着国民经济的发展,轮胎工业对合成橡胶的质量提出了越来越高的要求,要求轮胎胶料具有更高的强度、更好的耐磨性及屈挠性、更低的生热性以及更低的滚动阻力等,以锂、钛、钴、镍等金属催化剂体系进行催化制备的传统丁二烯橡胶大都无法满足高性能绿色轮胎产业的发展要求,而稀土系综合性能比它们更全面,因而市场需求逐渐增加。

丁二烯橡胶工艺

  丁二烯橡胶的生产方法,按聚合方式不同,可以分为溶液法、溶乳法和气相法三种。目前工业生产上常用的是溶液法,而未来气相法则有发展潜力。

  溶液聚合生产顺丁橡胶工艺过程包括原料精制、引发剂配制、聚合、回收、凝聚、后处理等工序。原材料主要有单体丁二烯和溶剂,常用的溶剂有脂肪烃、脂环烃、芳香烃和混合烃,辅助原材料有催化剂、防老剂和分散剂等。

丁二烯橡胶性能

  丁二烯橡胶属于不饱和度较高的碳链橡胶。BR主链中的双键含量比丁苯橡胶多,与天然橡胶类似。BR化学反应性比SBR高,比NR低,硫化速度中等,耐老化性能优于NR。BR的抗机械降解性能较好,塑炼后门尼粘度下降的幅度比NR小很多,也比SBR小,因此延长混炼时间对胶料的挤出性能几乎没有影响。

  BR为非极性橡胶,可以耐极性介质,但与强氧化介质接触时性能下降较快。BR与SBR、NR以及氯丁橡胶都有较好的相容性。

  BR分子链上无侧基,分子间作用力小,柔顺性好,因此具有变形恢复快、回弹性高、滞后损失小、生热低等优点。BR的弹性在通用橡胶中是最好的。

  因此,BR具有优异的低温性能,在冬季轮胎胎面胶中可以并用部分BR;具有良好的耐屈挠性能,是轮胎胎侧的首选胶种;同时具有较好的耐磨性,在配方中并用一定的BR,可以提高轮胎、鞋底等橡胶制品的耐磨性,延长其使用寿命。

图表五:BR、NR、SBR三种橡胶的性能对比

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  但是,BR的抗湿滑性能较差,轮胎胎面胶中BR的并用比例不宜太高,否则会降低抗湿滑性能。BR的力学性能较差,不耐切割,拉伸强度和撕裂强度低于SBR,更低于NR。

  此外,BR的分子量分布和长链支化度对其流变行为有显著影响。高线性型结构的BR具有明显的冷流性,胶块容易发生变形。

丁二烯橡胶用途

  丁二烯橡胶主要用于制造各种轮胎,在用于轮胎胎面、胎侧胶时可显著改善轮胎的耐磨耗、耐屈挠龟裂性能,提高轮胎的使用寿命。还可制造胶鞋、胶管、运输带、胶板、文体用品及其它橡胶制品。也可作为合成树脂的增韧补强改性剂,比如用来生产高抗冲聚苯乙烯

标签: #丁二烯#橡胶