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芳綸短纖維增強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料性能研究

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芳綸短纖維增強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料性能研究

發(fā)布日期:2019-08-12 作者: 點(diǎn)擊:

各種短纖維作為骨架增強(qiáng)材料加入到橡膠中可以較好地改善橡膠的綜合性能。20世紀(jì)70 年代以來,人們對各種短纖維,如纖維素纖維、玻璃纖維、尼龍、聚酯纖維、碳纖維以及芳綸纖維等增強(qiáng)骨架材料進(jìn)行了大量研究。不同纖維對橡膠性能的提升也各有不同,本文主要研究芳綸短纖維增強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料的性能影響。

芳綸纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、優(yōu)異的抗切割性和耐化學(xué)腐蝕性。采用芳綸短纖維加入到天然橡膠中制備天然橡膠/ 纖維復(fù)合材料,能夠提高橡膠復(fù)合物的抗撕裂性、耐磨性,降低胎面滾動阻力。

一、試驗(yàn)

1. 原材料

天然橡膠(NR),RSS3,泰國進(jìn)口;順丁橡膠(BR),牌號9000,中國石油化工股份有限公司上海高橋石化公司;高分散性RFL預(yù)浸漬芳綸短纖維,1.5D 長度3mm,青島三雄纖維科技有限公司;炭黑N330,上??ú┨鼗び邢薰?;其他原材料均為市售工業(yè)品。


2. 主要設(shè)備與儀器

X(S)M-1.7L型密煉機(jī),青島科技大學(xué)自行研制;SS-8060K 160 型開煉機(jī),臺灣松恕檢測儀器有限公司;日立 Hitachi SU8010型掃描電子顯微鏡;SS-8350ED數(shù)顯回彈試驗(yàn)機(jī),臺灣松恕檢測儀器有限公司;SS-8600伺服控制電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī),臺灣松恕檢測儀器有限公司;LFA447型導(dǎo)熱分析儀,德國耐馳儀器制造公司;GABO EPLEXOR-150N 型動態(tài)力學(xué)分析儀,德國高寶公司;Alpha RPA2000橡膠加工分析儀,美國阿爾法科技有限公司;SS-5643A 阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī),臺灣松恕檢測儀器有限公司。


3. 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方見表1。

試驗(yàn)配方


4. 生產(chǎn)工藝

將膠料和炭黑、環(huán)保芳烴油和各種填充劑在密煉機(jī)中混煉,芳綸短纖維、硫黃、促進(jìn)劑和黏合劑在開煉機(jī)上進(jìn)行開煉。

(1)混煉。加料順序:NR/BR→ 1/2 炭黑/ 各種填充劑→環(huán)保芳烴油/1/2 炭黑→提栓清掃→混煉→排膠,得到母煉膠。

(2)加硫取向。將母煉膠在開煉機(jī)上以最小輥距包輥后加芳綸短纖維,待橡膠表面看不到短纖維后添加硫黃、促進(jìn)劑和黏合劑,待藥品分散均勻后薄通8 次并以最小輥距下片,并沿下片方向進(jìn)行折疊,得到終煉膠。

(3)在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化,其硫化條件為150℃×tc90+5min,得到硫化膠。


5. 性能測試

(1)物理性能。硫化膠物理性能測試的拉伸試樣垂直于膠片下片方向,按照GB/T528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》。撕裂試樣沿著膠片下片方向,按照GB/T 529-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測定》測試。邵爾A型硬度按照GB/T 6031-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測定》在橡膠硬度儀上測試。

(2)阿克隆磨耗量。按照GB/T 1689-2014《硫化橡膠耐磨性能的測定(用阿克隆磨耗機(jī))》進(jìn)行測試,制備試樣時使工作面垂直于下片面。磨耗體積計算公式:

  ΔV=(m1-m2)/ρ             ①

式①中,ΔV—磨耗體積,cm3;

m1—摩擦前試樣的質(zhì)量,g;

m2—摩擦后試樣的質(zhì)量,g;

ρ—膠料密度,mg·m-3。

(3)橡膠回彈性測試。按照GB/T 1681-2009《硫化橡膠回彈性的測定》在MT-2207彈性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。

(4)在橡膠加工分析儀(RPA)上測試硫化膠的應(yīng)變掃描,測試應(yīng)變?yōu)?.28%~50%,頻率為60Hz;在動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)上測試硫化膠胎面的抗?jié)窕院蜐L動阻力;在LFA447 型導(dǎo)熱分析儀上測試硫化膠的導(dǎo)熱性;通過掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察纖維在橡膠中的分散狀態(tài)。


二、結(jié)果與討論

1. 終煉膠性能

橡膠/ 纖維混煉橡膠的性能參數(shù)見表2。從表2 可以看出,隨著芳綸短纖維添加量的增多,膠料的門尼黏度變化并不明顯,可見芳綸短纖維的適量加入對橡膠的加工性影響不大。但MH-ML 表征了混煉膠的交聯(lián)程度,其值隨芳綸短纖維添加量的增多而增大,可能是因?yàn)榉季]短纖維加入到橡膠中形成了界面相,對橡膠基體形變有一定的限制作用,形成了大量的物理交聯(lián)點(diǎn)進(jìn)而形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),交聯(lián)密度增大,降低膠料的流動性。


橡膠/纖維混煉橡膠的性能參數(shù)


2. 硫化膠性能

橡膠/ 纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能見表3。從表3 可以看出,隨著芳綸短纖維添加量的增多,橡膠試樣的硬度、100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度提高,拉斷伸長率減小。主要是因?yàn)榉季]短纖維分散在橡膠中起到骨架增強(qiáng)作用,提高了橡膠的剛性,橡膠硬度提升。隨著芳綸短纖維添加量的增多,芳綸短纖維之間相互搭接點(diǎn)數(shù)目增加,在橡膠基體中形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并阻礙周圍橡膠高分子鏈的滑動,同時在受力時,纖維與橡膠之間的結(jié)合力,都會增大橡膠試樣的定伸應(yīng)力和抗撕裂強(qiáng)度,拉斷伸長率下降。

橡膠/纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能


拉伸強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢,這主要是因?yàn)槎汤w維加入量少時,受外力時,短纖維能夠在一定程度上限制了橡膠基體的變形,外力首先作用在短纖維與橡膠之間的界面相上,再傳遞到橡膠基體中,因此拉伸強(qiáng)度先上升。但隨著短纖維加入量的增多,試樣受力時,芳綸短纖維兩端在橡膠中產(chǎn)生兩個應(yīng)力集中點(diǎn),應(yīng)力集中點(diǎn)增多且破壞的可能性也變大,又降低了拉伸強(qiáng)度。

橡膠回彈性呈先減小后增大的趨勢。阿克隆磨耗量呈現(xiàn)先基本不變再變大的趨勢,這可能是因?yàn)榉季]短纖維加入量少時,在取向狀態(tài)下摩擦,短纖維能限制橡膠基體的變形能力,在一定程度上限制裂紋的發(fā)展,同時當(dāng)橡膠磨掉時,短纖維則裸露在表面,對短纖維進(jìn)行磨損,一定程度上降低了磨耗量,但隨著芳綸短纖維添加量的增多,應(yīng)力集中點(diǎn)變多,受力遭到破壞的可能性變大,反而增大了磨耗量。


3. 動態(tài)分析

(1)橡膠加工分析儀

通過橡膠加工分析儀對硫化膠進(jìn)行形變掃描,通過應(yīng)變(Strain)和儲能模量(G′)來分析芳綸短纖維在橡膠中的情況。橡膠/纖維混煉橡膠的RPA 曲線見圖1。隨著短纖維添加量的增多,橡膠的G′先增大后減小,間接反映了硫化膠回彈性變化,吸收能量變大,回彈性減小。

橡膠/纖維混煉橡膠的RPA曲線圖


(2)動態(tài)力學(xué)分析

橡膠/ 纖維復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)分析曲線見圖2。對于芳綸短纖維/ 橡膠復(fù)合材料來說,在外力作用時,橡膠基體通過界面相傳遞到纖維處,因此損耗因子tanδ 間接反映了橡膠基體與芳綸短纖維之間的界面作用??梢钥吹剑砑臃季]短纖維會降低橡膠試樣的tanδ 峰值,且添加量越多,tanδ峰值越小,表明芳綸短纖維與橡膠的界面作用越差。tanδ 峰值對應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也降低,這可能是由于芳綸纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低,在達(dá)到了橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時,芳綸短纖維在橡膠基體中還能夠起到增強(qiáng)效果,不致使橡膠發(fā)生脆性破壞。芳綸短纖維的加入減少了橡膠在復(fù)合材料中的比例,通常tanδ 最大值會隨著填料用量的增加而降低。另外,芳綸短纖維/ 橡膠間的相互作用越強(qiáng),橡膠分子鏈段的活動越受限制,儲能模量G′增大,導(dǎo)致硫化膠的損耗更低, tanδ 峰值降低。b、c 兩圖顯示了橡膠試樣的抗?jié)窕阅芎蜐L動阻力。可以看出,添加短纖維能夠改善胎面膠的抗?jié)窕?,但也提高了滾動阻力。


損耗因子

橡膠/纖維復(fù)合材料DMA曲線圖


(3)導(dǎo)熱性

橡膠/ 纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)見表4??梢钥闯?,添加芳綸短纖維的橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性反而變差??赡苁且?yàn)榉季]纖維耐高溫但導(dǎo)熱性差,在橡膠中并未起到傳遞熱量的作用,反而阻礙了橡膠的傳熱。隨著芳綸短纖維用量的增多,導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。

橡膠/纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)


(4)掃描電子顯微鏡(SEM)

掃描電鏡觀察下的橡膠/ 纖維復(fù)合材料見圖3。可以看到芳綸短纖維與橡膠的結(jié)合還比較良好,短纖維根部與橡膠的結(jié)合較好,同時芳綸短纖維表面上有掛膠??梢钥吹较鹉z試樣在受力作用時,短纖維與橡膠之間的黏合作用力,讓短纖維從橡膠中拔出抵消部分外力作用,使試樣性能提升,表現(xiàn)在定伸應(yīng)力,隨著短纖維加入量的增加,定伸應(yīng)力也逐漸增大。

掃描電子顯微鏡(SEM)

掃描電鏡觀察下的橡膠/纖維復(fù)合材料


三、結(jié)論

1. 隨著芳綸短纖維添加量的增多,橡膠/ 纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小,撕裂強(qiáng)度增大,斷裂伸長率減小,回彈性先減小后增大,磨耗量慢慢增大。其中添加2份芳綸纖維時,其拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度性能最好,同時磨耗性能最優(yōu)。

2. 由于芳綸纖維本身導(dǎo)熱性差,添加芳綸短纖維反而降低膠料的導(dǎo)熱性能。

3. 添加芳綸短纖維能夠提高膠料的抗?jié)窕阅?,胎面滾動阻力也相應(yīng)增大。


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