水膨胀橡胶（WSR）是一类将橡胶的高弹性与吸水自主膨胀相结合的功能性高分子材料，通过物理堵塞和膨胀驱动的水阻双重机制实现高效密封[1], [2], [3], [4]。在保持橡胶基体优良的弹性和机械强度的同时，WSR依靠其内部亲水组分接触水后的快速膨胀，导致体积膨胀数倍至数百倍。这些特性使WSR特别适合在土木工程中广泛应用，包括接缝防水、工程密封和填充领域[5], [6], [7]。
水膨胀橡胶（WSR）是由橡胶基体和水吸收组分构成的功能性高分子复合材料[8], [9]。在WSR中，橡胶相作为连续基体，不仅构建了材料的弹性骨架，还在约束吸水相过度膨胀方面发挥着关键作用[10], [11], [12]。常见的非极性橡胶，如天然橡胶（NR）[13], [14]和三元乙丙橡胶（EPDM）[15], [16]，具有较好的力学性能，但与极性吸水树脂的相容性较弱，导致膨胀率较低。氯丁橡胶（CR）[17]与NR相比具有优异的耐候性和耐油性，综合性能较为平衡。然而，CR价格高于通用橡胶，且与极性吸水树脂的相容性仅为中等。丁腈橡胶（NBR）[18], [19]由于分子链中含有极性氰基，在相容性方面优于非极性橡胶，既能与极性填料相容，又能适应水环境。此外，在长期接触原油时仍能保持机械完整性和尺寸稳定性，使其成为油气工程应用中WSR密封复合材料的最佳基体。然而，常规NBR无法轻易形成离子交联网络。相比之下，羧化丁腈橡胶（XNBR）在侧链中引入了羧基，可与金属离子配位形成离子交联[20], [21], [22]，从而为构建共价-离子双网络结构提供了理想平台[23]。橡胶的三维交联网络赋予了基本的机械强度和高弹性，确保在干燥和受力条件下均保持几何稳定性和结构完整性。
吸水组分是WSR的功能核心。与水接触后，其分子链上的亲水基团与水分子发生水合作用，通过氢键等相互作用导致链伸展和体积膨胀[24], [25], [26], [27]。这种膨胀迫使橡胶分子链拉伸，从而将吸水相的微观膨胀转化为WSR复合材料的宏观体积膨胀[28], [29], [30], [31]。随着吸水的进行，吸水相的膨胀能力逐渐下降，膨胀驱动力减弱，直到吸水树脂的膨胀应力与橡胶网络的回复应力达到平衡。在此平衡状态下，材料达到最大膨胀体积和吸水量[32], [33], [34], [35]。
物理共混是WSR生产最简便且工业上可行的方法。在该方法中，预先聚合的吸水组分在机械搅拌下分散到连续的橡胶基体中，随后经硫化得到最终产品[36], [37]。该方法的优点包括加工简单、成本可控，以及通过调节吸水树脂用量来控制膨胀率，适合大规模工业生产。与物理共混相比，化学改性可以实现亲水组分在分子水平上更均匀的分布，有利于提高膨胀稳定性和界面黏附[38]。然而，该方法通常涉及更复杂的工艺和更高的成本。
作为面向应用的功能性高分子材料，水膨胀橡胶（WSR）的研究和应用领域不断扩大[39]。然而，其大规模生产和实际工程应用仍面临若干关键挑战[40], [41], [42], [43]。例如，吸水速率和膨胀率的精确调控[44]、材料的可回收性和可重复使用性，以及在保证性能的前提下有效降低材料成本的需求，这些都需要深入研究。
基于橡胶配方设计原理，本文成功制备了一种具有可调吸水动力学的水膨胀橡胶（WSR）复合材料，以羧化丁腈橡胶（XNBR）为基体，聚丙烯酸钠（PAAS）为吸水组分。为解决传统WSR中高机械强度与快速吸水之间的长期平衡难题，引入氯化钠（NaCl）作为渗透压调节剂，并通过过氧化物和金属氧化物构建"共价-离子双交联网络"[45]，实现了机械强度、吸水速率、膨胀率和尺寸稳定性的协同提升。所提出的"双交联协同"策略为突破WSR中典型的"强膨胀弱力学"权衡提供了有效途径。所开发的WSR在油气井隔离和矿井隧道防水等高要求工程应用中展现出广阔的应用前景。
