芳綸布夾芯增強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料靜態(tài)屈撓特性的研究

李 斌, 馬衛(wèi)東, 杜華太, 張穎異, 孫國(guó)華, 孫志勇, 李 輝, 劉 萍, 陳 斌

（1．山東非金屬材料研究所, 山東 濟(jì)南 250031; 2. 山東化工廠, 山東 濟(jì)南 250031;3. 空軍駐山東地區(qū)軍事代表室, 山東 濟(jì)南 250031）

0 前 言

芳綸具有比強(qiáng)度及比模量高、耐高溫[1]、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，兼有無(wú)機(jī)纖維的物理性能和有機(jī)纖維的加工性能，是纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料中理想的骨架材料。目前，關(guān)于芳綸與橡膠間界面粘合這一瓶頸技術(shù)已有大量研究[2-4]，問(wèn)題已基本解決，但關(guān)于芳綸增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能研究報(bào)道甚少。任玉柱等[5]制備了芳綸短纖維增強(qiáng)氫化丁腈橡膠復(fù)合材料，研究了芳綸短纖維類(lèi)型、用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和流變性能的影響。李鑫陵等[6]研究了熱壓溫度、時(shí)間以及壓力等工藝對(duì)芳綸布增強(qiáng)硅橡膠復(fù)合材料拉伸和撕裂性能的影響。Jeffery等[7]研究了芳綸漿粕對(duì)天然橡膠膠料的補(bǔ)強(qiáng)效果。

本論文制備了一種芳綸布夾芯增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，并根據(jù)研究需要，定義了該材料的靜態(tài)屈撓特性，研究了橡膠硬度、厚度對(duì)復(fù)合材料性能的影響。然后與純橡膠材料的靜態(tài)屈撓特性一起作為源數(shù)據(jù)，對(duì)不同材質(zhì)的橡膠制品進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，靜態(tài)屈撓特性的表征方法具有較高的可信度，芳綸布夾芯增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料減重潛力巨大。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

芳綸平紋布K129，1680dtex，美國(guó)DuPont公司；天然橡膠（NR），一級(jí)煙片膠，馬來(lái)西亞；膠粘劑開(kāi)姆洛克205（簡(jiǎn)稱(chēng)C205）和開(kāi)姆洛克252X（簡(jiǎn)稱(chēng)C252X），上海LORD公司；丙酮，化學(xué)純，萊陽(yáng)市康德化工有限公司；其他試劑均為市售橡膠工業(yè)常用原材料。

1.2 試樣制備

1.2.1 天然橡膠膠料制備

實(shí)驗(yàn)中所用的不同硬度的天然橡膠的配方（單位：份）如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中所用橡膠的配方

使用6 in（1 in=25.4 mm）開(kāi)煉機(jī)混煉膠料。具體工藝為：在開(kāi)煉機(jī)上加入NR生膠，調(diào)整輥距至1 mm，薄通10遍；放大輥距至2～3 mm，包輥后依次加入ZnO、硬脂酸、防老劑和古馬隆，左右割刀4次；混煉均勻后再加入炭黑、硫化劑和促進(jìn)劑，左右割刀4次；調(diào)小輥距至1 mm，薄通10遍，放大輥距至3～4 mm下片，備用。

1.2.2 芳綸表面改性處理

裁取200 mm×200 mm的芳綸布，用丙酮對(duì)其脫脂處理。將各脫脂芳綸布先以C205作底涂，室溫晾干；再以C252X作面涂，室溫晾干得改性芳綸布。

1.2.3 芳綸夾芯增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料試樣制備

根據(jù)測(cè)定的天然橡膠膠料的正硫化時(shí)間t90設(shè)定硫化參數(shù)，選用合適模具，在模腔內(nèi)依次鋪入改性芳綸布、天然橡膠混煉膠和改性芳綸布，使用100 t真空硫化機(jī)硫化成型，制備不同橡膠厚度、硬度的芳綸夾芯增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料。將其裁切成面積為60 mm×40 mm的試樣塊，以便進(jìn)行測(cè)試。試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中試樣表層和夾芯部位分別為芳綸布、天然橡膠，厚度為變量x。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 硬度測(cè)試

按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法 第1部分：邵氏硬度計(jì)法》要求制備試樣，并用LX-A硬度計(jì)測(cè)定天然橡膠的硬度。

圖1 芳綸布夾芯增強(qiáng)橡膠塊試樣

1.3.2 靜態(tài)屈撓特性測(cè)試

利用PWS-200B型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試各芳綸布夾芯橡膠塊與純橡膠塊試樣的靜態(tài)屈撓特性，夾持位置為標(biāo)記線(xiàn)處（見(jiàn)圖1），夾持器移動(dòng)速度為2 mm/min，得到相應(yīng)的載荷變形曲線(xiàn)。如圖2所示，取曲線(xiàn)初始階段類(lèi)線(xiàn)性部分的斜率作為載荷/變形比，取曲線(xiàn)的第一個(gè)極大值點(diǎn)作為屈服點(diǎn)，以此表征復(fù)合材料和橡膠塊試樣的靜態(tài)屈撓特性。

圖2 試樣靜態(tài)屈撓特性表征方法示例

1.3.3 有限元分析計(jì)算

計(jì)算條件：分別用邵爾A硬度80的天然橡膠和芳綸夾芯增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料制作某橡膠制品（見(jiàn)圖3），其中芳綸夾芯增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料所用橡膠也是邵爾A硬度80的天然橡膠。

計(jì)算要求為：（1）額定載荷（800 kg）下額定變形（制品變形量為7%）對(duì)兩種材料厚度的要求；（2）計(jì)算兩種材質(zhì)制品的應(yīng)力應(yīng)變分布圖。

采用美國(guó)ANSYS公司的有限元軟件，按照前述條件和要求進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)有關(guān)靜態(tài)屈撓特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定材料的參數(shù)；并根據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖5及表3所示，從表中數(shù)據(jù)看出，屈服點(diǎn)隨復(fù)合材料厚度增加變化較大，但試樣2010-1B2數(shù)據(jù)不符合預(yù)想規(guī)律，原因可能為：（1）采用人工裁切試樣，不夠規(guī)范；（2）試樣制備時(shí)芳綸布外表面被C205污染。該制品的實(shí)際情況設(shè)定接觸情況及約束條件。

表2 橡膠硬度對(duì)材料靜態(tài)屈撓特性影響

圖3 某橡膠制品圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同橡膠硬度對(duì)復(fù)合材料靜態(tài)屈撓特性的影響

橡膠硬度對(duì)材料靜態(tài)屈撓特性影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到，隨著復(fù)合材料變形的增大，載荷變形曲線(xiàn)首先呈類(lèi)線(xiàn)性變化，但到達(dá)屈服點(diǎn)后，曲線(xiàn)有下降和水平兩種趨勢(shì)，這說(shuō)明此時(shí)材料已失效，而曲線(xiàn)下降可能是芳綸/橡膠間界面脫粘造成的。分析圖4可得表2所示結(jié)果，可知隨著橡膠硬度的增加，復(fù)合材料載荷/變形比變大，屈服變難，這說(shuō)明我們?cè)谠O(shè)計(jì)不同使用工況的橡膠制品時(shí)需要選擇合適的橡膠硬度。

圖4 不同橡膠厚度的復(fù)合材料的載荷變形曲線(xiàn)

2.2 不同橡膠厚度對(duì)復(fù)合材料靜態(tài)屈撓特性的影響

不同橡膠厚度對(duì)試樣靜態(tài)屈撓特性影響

圖5 不同橡膠厚度的復(fù)合材料的載荷變形曲線(xiàn)

表3 橡膠厚度對(duì)材料靜態(tài)屈撓特性影響

2.3 復(fù)合材料與純橡膠材料靜態(tài)屈撓特性的比較

6 mm厚的芳綸布夾芯橡膠塊和純橡膠塊靜態(tài)屈撓特性的試驗(yàn)結(jié)果如圖6及表4所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可以看出，芳綸布夾芯橡膠結(jié)構(gòu)對(duì)載荷/變形比增加作用明顯，與相同厚度純橡膠塊載荷/變形比相比，復(fù)合材料載荷/變形比增加高達(dá)140%，屈服力明顯增大。

2.4 局部蜂窩輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)的有限元分析計(jì)算

有限元分析計(jì)算結(jié)果為：在不考慮材料內(nèi)部缺陷的情況下，當(dāng)制品采用邵爾A硬度80的純橡膠材質(zhì)時(shí)，壁厚應(yīng)不低于12 mm；當(dāng)采用芳綸夾芯增強(qiáng)橡膠材質(zhì)時(shí)，壁厚不低于8 mm。而根據(jù)靜載計(jì)算結(jié)果，這兩種厚度的計(jì)算結(jié)果的最大變形均小于額定變形15.4 mm（局部輪胎變形量的7%）。分析該結(jié)果認(rèn)為，在800 kg載荷及7%變形的條件下，芳綸布夾芯橡膠材質(zhì)的某橡膠制品的質(zhì)量比純橡膠材料的可降低約29%。

圖6 芳綸夾芯橡膠及純橡膠材料的載荷變形曲線(xiàn)

表4 純橡膠塊與復(fù)合材料的靜態(tài)屈撓特性對(duì)比表

變形分析的結(jié)果與資料中制品的變形特性基本一致（見(jiàn)圖7），說(shuō)明靜態(tài)屈撓特性表征方法可信度較高。

圖7 仿真結(jié)果與實(shí)物圖比較

3 結(jié) 論

（1）利用本文設(shè)計(jì)的芳綸布夾芯增強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料的靜態(tài)屈撓特性表征方法，發(fā)現(xiàn)芳綸布夾芯橡膠結(jié)構(gòu)能夠明顯增加屈服前載荷/變形比和屈服力，與相同厚度純橡膠塊相比，載荷/變形比提高了140%，屈服力提高43%；隨著橡膠硬度、厚度的增大，復(fù)合材料的載荷/變形比和屈服力均變大。上述結(jié)果顯示，芳綸布夾芯增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料應(yīng)用潛力巨大，且為以后設(shè)計(jì)相關(guān)制品提供了依據(jù)。

（2）分析有限元計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)在額定載荷下發(fā)生7%的同等變形時(shí)，芳綸布夾芯橡膠材質(zhì)制品的質(zhì)量比純橡膠材質(zhì)的可降低約29%，減重效果顯著。有限元計(jì)算變形結(jié)果與資料中實(shí)物的基本一致，說(shuō)明靜態(tài)屈撓特性表征方法可信度較高。

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