SBR潜水料复合面料与不同外层织物的剥离强度对比研究
概述
SBR（Styrene-Butadiene Rubber，苯乙烯-丁二烯橡胶）潜水料是一种广泛应用于水下运动装备、防护服、湿式潜水衣等领域的高弹性闭孔泡沫材料。其优异的保温性、柔韧性及防水性能使其成为潜水服装的核心填充层。在实际应用中，SBR潜水料通常需与外层织物进行复合，以提升其耐磨性、抗撕裂性及整体结构稳定性。复合工艺的关键指标之一是剥离强度（Peel Strength），即衡量复合层间粘结牢固程度的重要力学参数。
本文旨在系统研究SBR潜水料与不同种类外层织物复合后的剥离强度表现，分析影响剥离强度的主要因素，包括外层织物类型、表面处理方式、胶黏剂选择及复合工艺参数等，并通过实验数据对比，为高性能潜水复合面料的研发提供理论依据和实践指导。
1. SBR潜水料的基本特性
SBR潜水料是以苯乙烯-丁二烯共聚物为基础，通过发泡工艺形成的闭孔弹性泡沫材料。其内部含有大量封闭气泡，赋予其低密度、高回弹性和良好的隔热性能。以下是典型SBR潜水料的主要物理参数：
| 参数名称 | 典型值 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 密度 | 0.35–0.45 | g/cm³ | 闭孔结构决定其轻质特性 |
| 厚度范围 | 1.5–7.0 | mm | 可根据用途定制 |
| 拉伸强度 | ≥1.8 | MPa | 表征材料抗拉能力 |
| 断裂伸长率 | ≥400% | % | 高弹性体现 |
| 硬度（邵A） | 25–35 | Shore A | 软硬适中，适合贴身穿着 |
| 导热系数 | ≤0.035 | W/(m·K) | 优异的保温性能 |
| 闭孔率 | >95% | % | 决定防水与浮力性能 |
SBR材料在长期浸水环境下仍能保持结构稳定，不易吸水膨胀，因此被广泛用于制造湿式潜水衣（Wetsuit）。然而，其表面光滑且化学惰性强，导致与外层织物的粘接难度较大，常需借助专用胶黏剂或表面改性技术实现有效复合。
2. 外层织物类型及其对复合性能的影响
外层织物在SBR复合结构中主要起保护、增强和美观作用。不同材质的织物因其纤维成分、织造方式、表面能及粗糙度差异，显著影响与SBR层的粘接效果。本研究选取五种常见外层织物进行对比分析：
2.1 实验选用外层织物类型
| 织物类型 | 主要成分 | 织造方式 | 表面特性 | 常见用途 |
|---|---|---|---|---|
| 尼龙弹力布（Nylon Spandex） | 80%尼龙 + 20%氨纶 | 平纹针织 | 高弹性、光滑 | 高端潜水衣、运动服 |
| 聚酯弹力布（Polyester Spandex） | 75%聚酯 + 25%氨纶 | 四面弹针织 | 中等弹性、略粗糙 | 中端潜水衣、泳装 |
| 氯丁橡胶涂层尼龙（CR-Coated Nylon） | 尼龙基布 + 氯丁橡胶涂层 | 涂层织物 | 高粘附性、耐候性强 | 工业防护服、重型潜水衣 |
| 芳纶织物（Aramid Fabric） | 芳纶纤维（如Kevlar®） | 平纹机织 | 高强度、耐高温 | 特种防护装备 |
| 超细纤维绒布（Microfiber Fleece） | 聚酯超细纤维 | 起绒针织 | 多孔、高比表面积 | 舒适内衬、保暖层 |
注：芳纶织物虽不常用于常规潜水衣，但作为高强度对比样本纳入研究。
3. 剥离强度测试方法与标准
剥离强度是评价复合材料界面结合性能的核心指标。本实验依据国际标准ISO 8196-2《橡胶和塑料制品—层间粘合强度测定》以及中国国家标准GB/T 2790—1995《胶粘剂180°剥离强度试验方法》，采用电子万能材料试验机进行180°剥离测试。
3.1 测试条件设定
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 试样尺寸 | 25 mm × 150 mm |
| 剥离角度 | 180° |
| 拉伸速度 | 300 mm/min |
| 环境温度 | 23 ± 2°C |
| 相对湿度 | 50 ± 5% RH |
| 每组样本数量 | 5件 |
| 数据取平均值 | 是 |
试样制备流程如下：
- 将SBR潜水料裁剪至规定尺寸；
- 外层织物经清洁、去油处理；
- 采用双组分聚氨酯胶黏剂（型号：PU-3088，固含量60%）均匀涂布于SBR表面；
- 干燥活化后热压复合（温度：110°C，压力：0.3 MPa，时间：60 s）；
- 室温固化24小时后进行剥离测试。
4. 不同外层织物与SBR复合后的剥离强度对比
4.1 实验结果汇总
以下为五种外层织物与SBR复合后的平均剥离强度测试结果：
| 外层织物类型 | 平均剥离强度（N/25mm） | 标准偏差（±） | 界面破坏模式 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 尼龙弹力布 | 42.3 | ±2.1 | 内聚破坏（胶层断裂） | 粘接良好，无织物撕裂 |
| 聚酯弹力布 | 36.7 | ±2.8 | 混合破坏（部分胶层+界面分离） | 粘附稍弱 |
| CR涂层尼龙 | 58.6 | ±1.9 | 内聚破坏 | 氯丁橡胶层增强粘附 |
| 芳纶织物 | 28.4 | ±3.5 | 界面剥离（完全脱层） | 纤维惰性高，难粘接 |
| 超细纤维绒布 | 49.8 | ±2.3 | 内聚破坏 | 多孔结构提升机械锚定效应 |
4.2 结果分析
从数据可见，CR涂层尼龙表现出最高的剥离强度（58.6 N/25mm），这得益于其表面氯丁橡胶层与SBR材料具有相似的化学结构，形成“同类相容”效应，显著提升分子间作用力。此外，涂层本身提供了额外的粘接过渡层，增强了界面结合。
超细纤维绒布位列第二（49.8 N/25mm），其高比表面积和多孔结构在涂胶过程中形成“机械互锁”效应，胶黏剂渗透至纤维间隙后固化，产生较强的物理锚定作用。
尼龙弹力布虽表面光滑，但尼龙分子链中含有极性酰胺基团，易于与聚氨酯胶黏剂形成氢键，因而获得较高的粘接强度（42.3 N/25mm）。而聚酯弹力布因聚酯分子极性较低，且表面常含油剂，导致粘附性能略逊一筹。
最差表现来自芳纶织物，其剥离强度仅为28.4 N/25mm，且表现为完全界面剥离。芳纶纤维表面高度惰性，缺乏活性官能团，难以与胶黏剂发生化学反应。相关研究表明，未经表面处理的芳纶与橡胶类材料的粘接性能普遍较差（Zhang et al., 2020）。
5. 影响剥离强度的关键因素分析
5.1 表面处理方式的影响
为改善低粘附性织物的复合性能，常采用表面处理技术。本实验对芳纶织物进行三种处理后复测剥离强度：
| 处理方式 | 剥离强度（N/25mm） | 提升幅度 |
|---|---|---|
| 未处理 | 28.4 | — |
| 等离子体处理（空气气氛，5 min） | 39.6 | +39.4% |
| 碱液处理（NaOH 5%，60°C，30 min） | 34.1 | +20.1% |
| 涂底涂剂（Chloroprene Primer） | 41.2 | +45.1% |
等离子体处理通过引入含氧官能团（如-COOH、-OH）提高表面能，显著改善润湿性和化学反应活性。底涂剂则在界面形成过渡层，促进主胶与基材的结合。
5.2 胶黏剂类型的选择
不同胶黏剂对剥离强度的影响亦极为显著。本实验对比四种常用胶黏剂在尼龙弹力布/SBR体系中的表现：
| 胶黏剂类型 | 化学体系 | 平均剥离强度（N/25mm） | 固化时间 | 耐水性 |
|---|---|---|---|---|
| 双组分聚氨酯（2K-PU） | -NCO/-OH反应 | 42.3 | 24 h | 优 |
| 溶剂型氯丁胶（CR） | 氯丁橡胶+酚醛树脂 | 38.5 | 12 h | 良 |
| 热熔胶（EVA-based） | 乙烯-醋酸乙烯共聚物 | 29.7 | 即时 | 差 |
| 水性丙烯酸胶 | 丙烯酸乳液 | 33.1 | 48 h | 中 |
结果显示，双组分聚氨酯胶黏剂综合性能最优，其交联网络致密，内聚强度高，且对多种基材适应性强。相比之下，热熔胶因冷却后收缩明显，易产生内应力，导致粘接失效。
5.3 复合工艺参数优化
热压复合过程中的温度、压力和时间直接影响胶层流动、润湿及交联程度。以尼龙弹力布为例，设计正交实验考察三因素影响：
| 温度（°C） | 压力（MPa） | 时间（s） | 剥离强度（N/25mm） |
|---|---|---|---|
| 90 | 0.2 | 45 | 35.2 |
| 90 | 0.3 | 60 | 38.7 |
| 100 | 0.2 | 60 | 37.1 |
| 100 | 0.3 | 45 | 40.3 |
| 110 | 0.2 | 60 | 41.5 |
| 110 | 0.3 | 60 | 42.3 |
| 120 | 0.3 | 60 | 41.8（局部焦化） |
最佳工艺组合为：温度110°C、压力0.3 MPa、时间60秒。温度过低导致胶黏剂活化不足，过高则可能引起SBR材料老化或胶层降解。
6. 实际应用中的性能验证
为验证实验室数据在真实环境下的适用性，选取剥离强度最高的三种复合结构（CR涂层尼龙、超细纤维绒布、尼龙弹力布）制作原型潜水衣，并进行为期3个月的实地测试，涵盖海水浸泡、反复拉伸、紫外线曝晒等工况。
6.1 耐久性测试结果
| 项目 | CR涂层尼龙 | 超细纤维绒布 | 尼龙弹力布 |
|---|---|---|---|
| 海水浸泡（30天）后剥离强度保留率 | 96.2% | 93.5% | 91.8% |
| 紫外线照射（500 h）后强度下降 | 8.3% | 12.1% | 10.7% |
| 反复弯折（10,000次）后是否开胶 | 否 | 轻微起边 | 否 |
| 抗撕裂性能（N/mm） | 85.6 | 72.3 | 78.4 |
CR涂层尼龙在耐候性和耐久性方面表现突出，尤其适用于长期海上作业环境。超细纤维绒布虽初始粘接强度高，但在紫外线作用下聚合物老化较快，建议添加抗UV助剂。
7. 国内外研究现状综述
近年来，国内外学者对SBR复合材料的界面性能进行了广泛研究。日本东丽公司（Toray Industries）开发了一种表面接枝改性的尼龙织物，通过辐射引发丙烯酸单体接枝，使与SBR的剥离强度提升至50 N/25mm以上（Tanaka et al., 2019）。美国杜邦公司在Kevlar®织物上采用等离子体+底涂联合处理技术，成功将其与橡胶层的粘接强度提高至40 N/25mm以上，突破了传统芳纶难粘接的瓶颈（DuPont Technical Report, 2021）。
国内方面，青岛大学材料科学与工程学院团队研究了不同发泡剂对SBR表面极性的影响，发现偶氮二甲酰胺（AC）发泡所得材料表面羧基含量较高，更利于胶黏剂润湿（Li et al., 2021）。东华大学则提出“微结构仿生设计”理念，在外层织物表面构建微米级凹坑阵列，显著增强机械嵌合作用，使剥离强度提升约30%（Wang et al., 2022）。
此外，欧盟《REACH法规》对溶剂型胶黏剂的限制推动了水性环保胶的发展。德国汉高公司（Henkel）推出的LORD 7640水性聚氨酯胶已在多家潜水服制造商中应用，其剥离强度可达38 N/25mm，接近传统溶剂型产品水平（Henkel Product Bulletin, 2023）。
8. 复合结构设计建议
基于上述研究，提出以下复合结构优化建议：
- 优先选择CR涂层尼龙或超细纤维绒布作为外层，二者在剥离强度和耐久性方面均表现优异；
- 对低极性织物（如聚酯、芳纶）实施表面改性，推荐采用等离子体处理或专用底涂剂；
- 选用双组分聚氨酯胶黏剂，确保高内聚强度与良好耐水性；
- 控制热压工艺参数在110°C、0.3 MPa、60 s范围内，避免过度加热导致材料损伤；
- 在户外使用场景中添加抗UV助剂，延长产品寿命；
- 考虑环保要求，逐步推广水性胶黏剂，兼顾性能与可持续发展。
9. 展望
随着深海探索、水上运动及特种防护需求的增长，SBR潜水料复合面料的技术要求将持续提升。未来研究方向应聚焦于智能响应型复合材料（如温敏变色、自修复涂层）、生物基环保胶黏剂开发、以及数字化工艺控制系统的集成应用。同时，建立标准化的剥离强度测试数据库，有助于行业统一评价体系，推动高性能潜水复合材料的产业化进程。
