芳綸短纖維增強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料性能研究

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(lái)，人們對(duì)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(duì)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(dòng)阻力。

一、試驗(yàn)

1. 原材料

天然橡膠（NR），RSS3，泰國(guó)進(jìn)口；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)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(zhǎng)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(kāi)煉機(jī)，臺(tái)灣松恕檢測(cè)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(tái)灣松恕檢測(cè)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(tái)灣松恕檢測(cè)儀器有限公司；LFA447型導(dǎo)熱分析儀，德國(guó)耐馳儀器制造公司；GABO EPLEXOR-150N 型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀，德國(guó)高寶公司；Alpha RPA2000橡膠加工分析儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司；SS-5643A 阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，臺(tái)灣松恕檢測(cè)儀器有限公司。

3. 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方見(jiàn)表1。

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(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行開(kāi)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(kāi)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(cè)試

（1）物理性能。硫化膠物理性能測(cè)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(cè)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(cè)定》測(cè)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(cè)定》在橡膠硬度儀上測(cè)試。

（2）阿克隆磨耗量。按照GB/T 1689-2014《硫化橡膠耐磨性能的測(cè)定（用阿克隆磨耗機(jī)）》進(jìn)行測(cè)試，制備試樣時(shí)使工作面垂直于下片面。磨耗體積計(jì)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(cè)試。按照GB/T 1681-2009《硫化橡膠回彈性的測(cè)定》在MT-2207彈性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。

（4）在橡膠加工分析儀（RPA）上測(cè)試硫化膠的應(yīng)變掃描，測(cè)試應(yīng)變?yōu)?.28%～50%，頻率為60Hz；在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）上測(cè)試硫化膠胎面的抗?jié)窕院蜐L動(dòng)阻力；在LFA447 型導(dǎo)熱分析儀上測(cè)試硫化膠的導(dǎo)熱性；通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）來(lái)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(jiàn)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(mén)尼黏度變化并不明顯，可見(jiàn)芳綸短纖維的適量加入對(duì)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(duì)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(dòng)性。

2. 硫化膠性能

橡膠/ 纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能見(jiàn)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(zhǎng)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(dòng)，同時(shí)在受力時(shí)，纖維與橡膠之間的結(jié)合力，都會(huì)增大橡膠試樣的定伸應(yīng)力和抗撕裂強(qiáng)度，拉斷伸長(zhǎng)率下降。

拉伸強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槎汤w維加入量少時(shí)，受外力時(shí)，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(shí)，芳綸短纖維兩端在橡膠中產(chǎn)生兩個(gè)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(shì)。阿克隆磨耗量呈現(xiàn)先基本不變?cè)僮兇蟮内厔?shì)，這可能是因?yàn)榉季]短纖維加入量少時(shí)，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(shí)當(dāng)橡膠磨掉時(shí)，短纖維則裸露在表面，對(duì)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(dòng)態(tài)分析

（1）橡膠加工分析儀

通過(guò)橡膠加工分析儀對(duì)硫化膠進(jìn)行形變掃描，通過(guò)應(yīng)變（Strain）和儲(chǔ)能模量（G′）來(lái)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(jiàn)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。

（2）動(dòng)態(tài)力學(xué)分析

橡膠/ 纖維復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)分析曲線見(jiàn)圖2。對(duì)于芳綸短纖維/ 橡膠復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，在外力作用時(shí)，橡膠基體通過(guò)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?，添加芳綸短纖維會(huì)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(duì)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(shí)，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(huì)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(dòng)越受限制，儲(chǔ)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(dòng)阻力?？梢钥闯?，添加短纖維能夠改善胎面膠的抗?jié)窕?，但也提高了滾動(dòng)阻力。

（3）導(dǎo)熱性

橡膠/ 纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表4。可以看出，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。

（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(jiàn)圖3?？梢钥吹椒季]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(shí)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(shí)，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。

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(zhǎng)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(shí)，其拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度性能最好，同時(shí)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(dòng)阻力也相應(yīng)增大。