碳纖維對橡膠復(fù)合材料性能的影響

武衛(wèi)莉，哈 博

(1.齊齊哈爾大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.黑龍江省高校聚合物復(fù)合改性重點實驗室,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

橡膠具有極佳的回彈性、絕緣性、隔水性及耐屈撓性等特性，廣泛用于輪胎、膠管、密封材料等領(lǐng)域[1]，但是普通橡膠因自身強度低，耐高溫性能及耐磨性差而影響其使用壽命[2]。橡膠中添加高性能纖維是改善性能的最佳途徑[3]。玻璃纖維和碳纖維(CF)都是最常選用的纖維，它們都是優(yōu)良的增強材料，拉伸強度和彈性模量都很高并且具有耐老化和耐化學(xué)品腐蝕，性能優(yōu)良，吸濕性小，吸水性小，耐熱性好，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點。但玻璃纖維有質(zhì)脆、柔性小、導(dǎo)熱性差和致癌等缺點[4]，而CF具有高強度、高模量、低伸長、耐磨性和傳導(dǎo)性(包括導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性)等特殊的性能，利用CF的潤滑性、耐磨性和導(dǎo)熱性，可顯著改善CF增強橡膠復(fù)合材料的耐磨性[5]。本論文選用CF為增強相，來研制短纖維增強橡膠復(fù)合材料。

1 實驗部分

1.1 主要原料

順丁橡膠(BR)：BR-9000，工業(yè)級，上海裕達(dá)石油化工有限公司；丁苯橡膠(SBR)：SBR-1500，工業(yè)級，吉林石化公司；天然橡膠(NR)：工業(yè)級，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)；丁腈橡膠(NBR)：工業(yè)級，蘭州石化公司；三元乙丙橡膠(EPDM)4640、4045及4045M：工業(yè)級，吉林石化公司；氯丁橡膠(CR)：工業(yè)級，重慶長壽化工有限公司；丙烯酸酯橡膠(ACM)、硅橡膠(MVQ)：工業(yè)級，上海怡臣宏實業(yè)有限公司；CF：工業(yè)級，纖維平均長度為12 mm,江蘇省丹陽市恒神材料有限公司；白炭黑：工業(yè)級，青島威特白炭黑有限公司；偶聯(lián)劑Si69：工業(yè)級，南京奧誠化工有限公司；偶聯(lián)劑KH550：工業(yè)級，天津生力科貿(mào)有限公司；三氧化二鐵(Fe2O3)：工業(yè)級，天津市雙船化學(xué)試劑廠；過氧化二異丙苯(DCP)：分析級，中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；其它化學(xué)試劑均為分析級市售產(chǎn)品。

1.2 試樣制備

(1) CF表面的退漿處理

取一定量的CF放入大燒杯中，然后向燒杯中倒入適量的丙酮(丙酮剛好淹沒纖維)，用玻璃棒不停地攪拌，50 min后將纖維從燒杯中取出，放在表面皿上，放入烘箱中烘干(烘箱溫度調(diào)到70 ℃)。

(2) 混煉膠的準(zhǔn)備

將橡膠在輥溫為40～50 ℃、輥距1 mm左右的開煉機上塑煉10 min，然后加入配合劑，調(diào)整輥溫為50～60 ℃、輥距1～2 mm，混煉20～30 min制成混煉膠(配方如表1所示)。

(3) 混合

將上述混煉膠與處理后的CF在輥溫為50～60 ℃、輥距1～2 mm的開煉機上混煉10～20 min，得到混合均勻的混煉膠，停放4～12 h。

(4) 硫化

將混合好的膠料在170 ℃×10 MPa×20 min條件下硫化，制樣。

表1 試樣制備的基本配方 (質(zhì)量份)

1.3 性能測試

邵爾A型硬度按GB/T531—1999測定；拉伸強度按GB/T528—1998測定；熱老化性能按GB 3512—2001測定；磨耗按GB/T 25262—2010測試；耐熱老化性能按GB/T3512—2001測試；掃描電鏡(SEM)分析：采用日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM-5600掃描電子顯微鏡，硫化膠斷面噴金后進(jìn)行觀察；傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析：采用美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的Spectrum one型FTIR儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 CF對各橡膠性能的影響

CF對橡膠具有增強的作用，但是對各類橡膠的增強效果不同。CF對各橡膠性能的影響如表2所示。

表2 CF對各橡膠性能的影響1)

從表2可知，CR作為基相的試樣拉伸強度、扯斷伸長率和邵爾A型硬度最大，磨耗最小，即耐磨性最好，說明CF增強CR的效果最佳。而從老化前和老化后性能變化來看，MVQ作為基相的試樣的性能變化最小，說明CF增強MVQ復(fù)合材料的耐熱老化性最好。因此本實驗選擇CR作為基相，CF作為變量來研究。

2.2 CF用量對CR性能的影響

由表2得知，用CR作CF復(fù)合材料的基相，復(fù)合材料力學(xué)性能較好。因此本實驗中研究了CF用量對CR力學(xué)性能的影響，其結(jié)果如表3所示。

表3 CF用量對CR性能的影響

從表3可知，隨著CF用量的增加，試樣熱老化前后的邵爾A型硬度變化不大，拉伸強度和扯斷伸長率逐漸增加，而磨耗逐漸減少，當(dāng)CF用量為12份時，拉伸強度和扯斷伸長率達(dá)到最高值，磨耗最小，說明材料強度高，屈撓性和耐磨性好。當(dāng)CF用量大于12份時，試樣熱老化前后的拉伸強度和扯斷伸長率呈不規(guī)則下降，而磨耗逐漸增加。這是由于當(dāng)纖維的含量增加過多時引起纖維堆積，不能充分地分散在CR基體中，兩者混合不勻，導(dǎo)致拉伸強度下降。當(dāng)纖維用量小于12份時，隨著纖維量的增加，在復(fù)合材料中起增強骨架作用的材料增加，所以復(fù)合材料的拉伸強度和扯斷伸長率增加，磨耗降低，因此力學(xué)性能及熱老化性能提高。

2.3 偶聯(lián)劑對CF/CR復(fù)合材料性能的影響

在研究CF用量時發(fā)現(xiàn)，CF與橡膠的相容性的優(yōu)劣對CF/CR復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大影響。因此本實驗以偶聯(lián)劑KH550和Si69為相容劑來研究偶聯(lián)劑對CF/CR復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，其結(jié)果如表4所示。

表4 偶聯(lián)劑對CF/CR復(fù)合材料性能的影響1)

由表4可以看出，無論是用偶聯(lián)劑還是不用偶聯(lián)劑(空白樣)試樣的硬度變化不大，而拉伸強度和扯斷伸長率在用偶聯(lián)劑后均有提高。當(dāng)選用偶聯(lián)劑KH550時，熱老化前后拉伸強度、扯斷伸長率最大，其原因是因為偶聯(lián)劑促進(jìn)了CF和CR交聯(lián)；而KH550的交聯(lián)效果優(yōu)好于Si69，是由于Si69帶有2個龐大基團(tuán)，不方便偶聯(lián)劑在橡膠和纖維間的擴散，導(dǎo)致該偶聯(lián)劑沒有充分發(fā)揮作用。

2.4 KH550用量對CF/CR復(fù)合材料性能的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，KH550作為CF和CR的相容劑效果較好，因此本實驗考察了KH550用量對復(fù)合材料的影響，其結(jié)果如表5所示。

表5 偶聯(lián)劑KH-550用量對CF/CR復(fù)合材料性能的影響

由表5可以看出，偶聯(lián)劑KH550加入，硬度略有降低，而試樣熱老化前后拉伸強度和扯斷伸長率均有所提高，說明偶聯(lián)劑KH550的加入可以改善CF和CR的結(jié)合能力，提高兩者的相容性，從而使復(fù)合材料的強度和柔性均有所提高。當(dāng)KH550用量為2.5份時，試樣的拉伸強度、扯斷伸長率最大，復(fù)合材料力學(xué)性能最好。

根據(jù)以上測試結(jié)果可以得出，CF增強CR的效果最佳，其最佳配方為：CR 100份；CF 12份；偶聯(lián)劑KH550 2.5份；白炭黑 20份；防老劑D 1份；促進(jìn)劑M 1份；硬脂酸1份；硫黃1份；硫化劑氧化鋅8份。

2.5 固化條件對CF/CR復(fù)合材料性能的影響

前期研究得出了制備CF增強CR復(fù)合材料的最佳配方，而制備工藝尚未確定，本實驗研究了復(fù)合材料的固化工藝，結(jié)果如表6所示。

表6 固化條件對CF/CR復(fù)合材料性能的影響

由表6可以看出，在固化壓力和時間都一定的條件下(10 MPa×30 min)，當(dāng)固化溫度為175 ℃時，試樣熱老化前后的拉伸強度、扯斷伸長率最大；而熱老化前后邵爾A型硬度變化最小，說明此時的熱穩(wěn)定性最好，因此當(dāng)溫度為175 ℃時復(fù)合材料的固化效果最好。其結(jié)果可以理解為當(dāng)溫度低于175 ℃時，復(fù)合材料沒有達(dá)到固化溫度，橡膠欠硫，所以固化效果不好。反之，當(dāng)溫度高于175 ℃時，橡膠產(chǎn)生過硫化，導(dǎo)致硫化效果逐漸變差，致使復(fù)合材料的拉伸強度、扯斷伸長率降低。當(dāng)固化壓力和溫度固定(175 ℃×10 MPa)，固化時間為30 min時，固化效果最好，理由同上。因此CF/CR復(fù)合材料最佳固化條件為：溫度 175 ℃，固化壓力10 MPa，固化時間30 min。

2.6 CF/CR復(fù)合材料的SEM分析

CF/CR復(fù)合材料SEM圖如圖1所示。

(a) CF用量5份

(b) CF用量10份

(c) CF用量12份

(d) CF用量15份圖1 CF/CR復(fù)合材料的SEM圖

由圖1可以觀察到，CF用量為5份的試樣，纖維排列比較整齊，分布均勻；CF用量為10份時，纖維分布不是很均勻，有明顯孔洞，且排列出現(xiàn)不整齊現(xiàn)象；纖維用量為12份時，纖維分布均勻，且排列整齊都向同一個方向，纖維充分被橡膠包埋，纖維與橡膠接觸良好；CF用量為15份時，纖維有堆積現(xiàn)象，分布不均勻，且空隙較多，相容性不好，產(chǎn)生分層。由此進(jìn)一步證明了CF用量為12份時CF/CR復(fù)合材料的相容性最好，也解釋了此用量下復(fù)合材料力學(xué)性能高的原因。

2.7 CF/CR復(fù)合材料的FTIR分析

為了測試CF與橡膠的相容性，對各試樣進(jìn)行紅外光譜測試，如圖2所示。

波數(shù)/cm-1(a) CF/CR=0/100

波數(shù)/cm-1(b) CF/CR=12/100

波數(shù)/cm-1(c) CF/CR=12/100(Si69)

波數(shù)/cm-1(d) CF/CR=12/100 (KH550)圖2 CF/CR的FTIR圖

3 結(jié) 論

(1) CR為基相，復(fù)合材料的力學(xué)性能最好；MVQ作基相，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性最好。

(2) 當(dāng)CF用量為12份時，CF/CR復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。

(3) 偶聯(lián)劑KH550處理的CR復(fù)合材料的性能要好于Si69處理的，并且用Si69和KH550處理的CF復(fù)合材料的性能均好于沒有處理的復(fù)合材料性能，其中KH550的最佳用量為2.5份。本實驗研究最佳配方為：CR 100份，CF 12份，KH550 2.5份，白炭黑 20份，防老劑D 1份，促進(jìn)劑M 1份，硬脂酸1份，硫黃1份，氧化鋅 8份。

(3) CF增強CR的最佳固化條件為：固化溫度 175 ℃，固化壓力10 MPa，固化時間30 min。

(4) 由SEM和FTIR分析可知，CF用量為12份時，CF與KH550及CR的結(jié)合最佳，相容性最好。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] Ravi S A,Karali P,Markus S.Size effects in micro drilling of carbon fiber rubber reinforced plastic composite[J].Production Engineering,2014,8(3):301-307.

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[3] Dezfuli F H,Shahria A M.Sensitivity analysis of carbon fiber-reinforced elastomeric isolators based on experimental tests and finite element simulations[J].Bulletin of Earthquake Engineering，2014,12(2):1025-1043.

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