4．氯丁橡膠CR

(1)氯丁橡膠的結構

氯丁橡膠是氯丁二烯（學名2-氯-1，3丁二烯）經過乳液聚合而得，稱為聚氯丁二烯橡膠簡稱氯丁橡膠，代號CR。氯丁橡膠是合成膠中*早研究開發的膠種之一，首先由美國Dupont公司於1931年開發成功，目前，該公司是世界上氯丁橡膠產量*大者，幾乎占世界氯丁橡膠總生產能力的1／3。其後日本、俄羅斯、德國、英國、法國先後建廠投產。我國於1950年開始研究，1953年建成中間試驗工廠。1958年正式在四川長壽化工廠建廠投產，繼而又在山西大同和青島各建0.5萬噸／年生產裝裝置，並先後投產，現都已擴建為0.7萬噸／年的規模。目前世界生產氯丁橡膠的國家有7個，生產能力1991年為40多萬噸，僅占合成橡膠總生產能力的3.2％，較原先50多萬噸／年有所下降。

2-氯-l，3-丁二烯在聚合時，可以生成α、β、μ、ω等四種不同的聚合物。其中α型是分子鏈為線型的聚合物，結構比較規整，具有可塑性；β型為環狀結構的聚合物；μ型為有支鏈和橋鍵的聚合物，無可塑性，類似於硫化橡膠；ω型為高度網狀或體型結構的分子。通常所生產的固體氯丁橡膠當屬α型聚合體，它在受熱、光、氧作用而老化後，其直鏈分子產生歧化或交聯，即轉化為μ型聚合體。為防止氯丁橡膠由α型向μ型聚合體轉化，一般都在其中混入一定的防老劑。

至於氯丁橡膠分子的微觀結構，則大部分是反式-1，4加成結構(約占85％)，還有順式-1，4加成結構(約占10％)，以及少量的1，2加成結構(約占1.5％)和3，4加成結構(約占1.0％)。氯丁橡膠分子中，反式-1，4加成結構的生成量與聚合溫度有關。聚合溫度越低，反式-1，4加成結構含量越高，聚合物分子鏈排列越規則，機械強度越高。而1，2和3，4加成結構使聚合物帶有側基，且側基上還有雙鍵，這些側基能阻礙分子鏈的運動，對聚合物的彈性、強度、耐老化性等都有不利影響，並易引起歧化和生成凝膠。不過由於1，2結構的化學活性較高，因此它是CR的交聯中心。

(2)分類品種

氯丁橡膠可以分為：通用型（硫黃調節型和硫醇調節型）、專用型（黏接型和其他特殊用途型）。

①硫黃調節型(G型)  這類氯丁橡膠是以硫黃作相對分子質量調節劑，秋蘭姆作穩定劑。相對分子質量約為10萬，相對分子質量分布較寬。由於結構比較規整，可供一般橡膠製品使用,故屬於通用型。商品牌號有GN、GNA等，國產氯丁橡膠CRl212型與GNA型相當。

此類橡膠的分子主鏈上含有多硫鏈( 80～110個)，由於多硫鍵的鍵能遠低於C—C鍵鍵能，在一定條件下(如光、熱、氧的作用)容易斷裂，生成新的活性基團，導致發生歧化、交聯而失去彈性，所以貯存穩定性差。但此類橡膠塑煉時,易在多硫鍵處斷裂，形成硫醇基(—SH)化合物，使相對分子質量降低，故有一定的塑煉效果。此類橡膠物理機械性能良好，尤其是回彈性、撕裂強度和耐屈撓龜裂性均比W型好，硫化速度快，用金屬氧化物即可硫化，加工中彈性複原性較低，成型黏合性較好，但易焦燒，並有黏輥現象。

②非硫調節型(W型)  氯丁橡膠在聚合時，用十二硫醇作相對分子質量調節劑，故又稱硫醇調節型氯丁橡膠。此類橡膠相對分子質量為20萬左右，相對分子質量分布較窄，分子結構比G型更規整，1，2結構含量較少。商品牌號有W、WD、WRT、WHV等，國產氯丁橡膠CR2322型則屬於此類，相當於W型。由於該類分子主鏈中不含多硫鏈，故貯存穩定性較好。與G型相比，該類橡膠的優點是加工過程中不易焦燒，不易黏輥，操作條件容易掌握，硫化膠有良好的耐熱性和較低的壓縮變形性。但結晶性較大，成型時黏性較差，硫化速度慢。

③黏接型氯丁橡膠  廣泛地用作膠黏劑。此類與型的主要區彆是聚合溫度低(5～7)，因而提高了反式-1，4結構的含量，使分子結構更加規整，結晶性大，內聚力高，所以有很高的黏接強度。

④其他特殊用途型氯丁橡膠  是指專用於耐油、耐寒或其他特殊場合的氯丁橡膠。如氯苯橡膠，是2-氯-1，3-丁二烯和苯乙烯的共聚物，引入苯乙烯是為了使聚合物獲得優異的抗結晶性，以改善耐寒性(但並不改善玻璃化溫度)，用於耐寒製品。又如氯丙橡膠，是2-氯-1，3-丁二烯和丙烯腈的非硫調節共聚物，丙烯腈摻聚量有5％、10％、20％、30％不等，引入丙烯腈以增加聚合物的極性，從而提高耐油性。

(3)氯丁橡膠的結構特點 

氯丁橡膠分子鏈的空間結構主要為反式結構，其結構式為：

反式-1，4加成含量約占85%

順式-1，4加成含量約占15%

首先，氯丁橡膠的主鏈雖然由碳鏈所組成，但由於分子中含有電負性較大的氯原子，而使其成為極性橡膠，從而增加了分子間力，使分子結構較緊，分子鏈柔性較差。又由於氯丁橡膠結構規整性較強，因而比天然橡膠更易結晶。其次，由於氯原子連接在雙鍵一側的碳原子上，誘導效應的結果，使雙鍵和氯原子的活性大大降低，不飽和程度大幅度下降，從而提高了氯丁橡膠的結構穩定性。通常已不把氯丁橡膠列入不飽和橡膠的範疇內。

(4)氯丁橡膠的性質、性能 

氯丁橡膠為淺黃色乃至褐色的彈性體，密度較大，為1.23g/cm³，能溶於甲苯、氯代烴、丁酮等溶劑中，在某些酯類(如乙酸乙酯)中可溶，但溶解度較小，不溶於脂肪烴、乙醇和丙酮。

CR的結構特點，決定了氯丁橡膠在具有良好的綜合物理機械性能的前提下，還具有耐熱，耐臭氧、耐天候老化，耐燃，耐油，黏合性好等特性，所以它被稱為是多功能橡膠。

①由於氯丁橡膠有較強的結晶性，自補強性大，分子間作用力大，在外力作用下分子間不易產生滑脫，因此氯丁橡膠有與天然橡膠相近的物理機械性能。其純膠硫化膠的拉伸強度、扯斷伸長率甚至還高於天然橡膠，炭黑補強硫化膠的拉伸強度、扯斷伸長率則接近於天然橡膠(見表1-10。其他物理機械性能也很好，如回彈性、抗撕裂性僅次於天然橡膠，而優於一般合成橡膠，並有接近於天然橡膠的耐磨性。   

表1-10氯丁橡膠與天然橡膠、丁苯橡膠性能對比

②由於氯丁橡膠的結構穩定性強，因此有很好的耐熱、耐臭氧、耐天候老化性能。其耐熱性與丁腈橡膠相當，能在150℃下短期使用，在90～110℃下能使用四個月之久。耐臭氧，耐天候老化性僅次於乙丙橡膠和丁基橡膠，而大大優於通用型橡膠。此外，氯丁橡膠的耐化學腐蝕性、耐水性優於天然橡膠和丁苯橡膠，但對氧化性物質的抗耐性差。

③由於氯丁橡膠具有較強的極性，因此氯丁橡膠的耐油、耐非極性溶劑性好，僅次於丁腈橡膠，而優於其他通用橡膠。除芳香烴和鹵代烴油類外，在其他非極性溶劑中都很穩定，其硫化膠隻有微小溶脹。

④由於氯丁橡膠的結構緊密，因此氣密性好，通用橡膠中僅次於丁基橡膠，比天然橡膠的氣密性大。

⑤由於氯丁橡膠在燃燒時放出氯化氫，起阻燃作用，因此遇火時雖可燃燒，但切斷火源即自行熄滅。氯丁橡膠的耐延燃性在通用橡膠中是*好的。

⑥氯丁橡膠的黏接性好，因而被廣泛用作膠黏劑。氯丁橡膠係膠黏劑占合成橡膠類膠黏劑的80％。其特點是黏接強度高，適用範圍廣，耐老化、耐油、耐化學腐蝕，具有彈性，使用簡便，一般無需硫化。

⑦由於氯丁橡膠分子結構的規整性和極性，內聚力較大，限製分子的熱運動，特彆在低溫下熱運動更困難。因此，因低溫結晶，使橡膠拉伸變形後難於恢複原狀而失去彈性，甚至發生脆折現象，耐寒性不好。氯丁橡膠的玻璃化溫度為-40℃，低溫使用範圍一般不超過-30℃。

⑧氯丁橡膠因分子中含有極性氯原子，所以絕緣性差，體積電阻為10¹⁰～10¹²Ω·cm，僅適於600V以內的較低壓使用。

⑨由於極性氯原子的存在，使氯丁橡膠在加工時對溫度的敏感性強，當塑、混煉溫度超出彈性態溫度範圍(彈性態溫度Ｇ型為常溫～71℃，W型為常溫～79℃，而天然橡膠則為常溫～100℃,溫度高時，會產生黏輥現象，造成操作困難，G型氯丁橡膠尤甚。

此外，由於氯丁橡膠的結晶傾向大，膠料經長期放置後，會慢慢硬化，致使黏著性下降，造成成型困難，尤其是W型氯丁橡膠。

⑩貯存穩定性  氯丁橡膠貯存變質是一個獨特的問題，在30℃的自然條件下，硫黃調節型氯丁橡膠可存放10個月，非硫調節型可存放40個月。隨存放時間增長，生膠變硬、塑性下降、焦燒時間縮短、加工黏性下降、流動性下降、壓出表麵不光滑，逐漸失去了加工性。其根本原因在於生膠從線型的α型向支化及交聯的μ型變化，也就是說生膠的自然存放就產生了自發的交聯。交聯到一定程度，橡膠完全失去加工性，即是到了生膠的存放期。

其防止的辦法應該是精製氯丁二烯並在惰性氣體中貯存及聚合，嚴格控製聚合轉化率，加入防老劑，生膠貯存溫度低一些，儘量減少熱曆史。

   ⑾一般加工性能  氯丁橡膠的加工性能主要決定於未硫化膠的黏彈行

為，其黏彈性隨溫度的變化如表1－11所示。未硫化氯丁橡膠的彈性狀態在

室溫至79℃間，而天然橡膠在室溫到100℃間。氯丁橡膠黏流態在93℃以

上，而天然橡膠在約135℃以上。硫黃調節型氯丁橡膠用低溫塑煉可取得可

塑性，但非硫調節型的塑煉作用不大。氯丁橡膠的煉膠溫度應比天然橡膠低，

否則剪切力不夠，配合劑分散不開。但氯丁橡膠煉膠生熱高，所以要注意冷

卻，加MgO時溫度約50℃為宜，如溫度太低MgO易結塊。氯丁橡膠煉膠

易黏輥，加一些如石蠟、凡士林等潤滑劑有助於解決。硫化劑、ZnO及促進

劑應在混煉後期加入，若在密煉機加入，排料溫度應在105～110℃。氯丁

橡膠*宜硫化溫度為150℃，但因它硫化不返原，所以可以采用170~230℃

的高溫硫化、高溫連續硫化，如加熱室硫化、高壓蒸氣硫化、流體床硫化、

固體滾動床硫化等。

表1-11氯丁橡膠不同溫度下的狀態

⑿氯丁橡膠與其他橡膠的並用  氯丁橡膠可以與天然橡膠並用改進加工性能、提高黏接強度以及改善耐屈撓和耐撕裂性能；氯丁橡膠與丁苯橡膠並用可以降低成本，提高耐低溫性能，但是耐臭氧性能、耐油性、耐候性隨之降低，因此需要加入抗臭氧劑，硫化體係采用無硫和硫黃硫化體係；氯丁橡膠與丁腈橡膠並用，可以提高耐油性，改進黏輥性，便於壓延和壓出成型；為了改進氯丁橡膠的黏輥性能，提高壓延壓出的工藝性能，可以采用氯丁橡膠與順丁橡膠並用，同時彈性、耐磨性和壓縮生熱可以得到改善，但耐油性、抗臭氧性和強度降低；為了進一步的提高氯丁橡膠的抗臭氧性能可以將氯丁橡膠與乙丙橡膠並用，同時可以改善耐熱性能。

可用來製造輪胎胎側、耐熱運輸帶、耐油及耐化學腐蝕的膠管、容器襯裡、墊圈、膠輥、膠板，汽車和拖拉機配件，電線、電纜包皮膠，門窗密封膠條，橡膠水壩，公路填縫材料、建築密封膠條，建築防水片材、某些阻燃橡膠製品及膠黏劑等。