芳綸短纖維補強天然橡膠復合材料性能研究

邊慧光，李海濤，劉 潔，汪傳生

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

將短纖維加入到橡膠中能夠很好地改善橡膠的某些性能，同時加工性能也較好[1-3]。20世紀70年代以來，人們對不同的短纖維，如纖維素纖維、玻璃纖維、錦綸纖維、聚酯纖維、碳纖維以及芳綸纖維等補強骨架材料進行了大量研究。不同短纖維對橡膠性能的提高也各有不同。

芳綸纖維具有高強度、高模量、耐高溫、優(yōu)異的抗切割和耐化學腐蝕性能[4-5]。將芳綸纖維切成一定規(guī)格長度的短纖維，加入到天然橡膠（NR）中制備NR/纖維復合材料，能夠提高復合材料的撕裂性能、耐磨性能，降低滾動阻力[6]。在現有技術的支持下，已經有公司采用芳綸纖維制備性能更優(yōu)異的輪胎[7]。

本工作探究芳綸短纖維補強NR復合材料的性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，牌號RSS3，泰國進口產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化上海高橋石化公司產品；高分散性RFL預浸漬芳綸短纖維，1.5 D，纖度為1.67 dtex，長度為3 mm，青島三雄纖維科技有限公司產品；炭黑N330，卡博特（中國）有限公司產品。

1.2 試驗配方

NR 80，BR 20，炭黑N330 50，氧化鋅4，硬脂酸 2，環(huán)保芳烴油 5.5，防老劑4010NA

2，微晶蠟 2.5，增粘樹脂SL-3020 0.5，粘合劑RA65 1，硫黃 2.3，促進劑CZ 0.7，其他填充劑 19，RFL預浸漬芳綸短纖維 變量（其中1#—5#配方用量分別為0，1，2，3，4份）。

1.3 主要設備和儀器

X（S）K-160型開煉機，上海橡膠機械廠產品；X（S）M-1.7 L型密煉機，青島科技大學自行研制；SU8010型掃描電子顯微鏡（SEM），日本日立公司產品；MT-2207型彈性試驗機，青島默托森特精密檢測有限公司產品；UT-2060型拉力試驗機，中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產品；LFA447型導熱分析儀，德國耐馳儀器制造公司產品；EPLEXOR-150 N型動態(tài)力學分析儀（DMA），德國GABO公司產品；RPA2000型橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；GT-7012-D型阿克隆磨耗機，高鐵科技股份有限公司產品。

1.4 試樣制備

將生膠與炭黑、環(huán)保芳烴油和各種填充劑在密煉機中混煉，芳綸短纖維、硫黃、促進劑和粘合劑在開煉機上加入。

（1）混煉。加料順序：NR/BR→50%炭黑、各種填充劑→環(huán)保芳烴油/剩余炭黑→提壓砣清掃→混煉→排膠，得到母煉膠。

（2）纖維取向、加硫黃。將母煉膠在開煉機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、促進劑和粘合劑，待小料分散均勻后薄通8次并以最小輥距下片，沿下片方向進行折疊，得到終煉膠。

（3）在平板硫化機上進行硫化，硫化條件為150 ℃ （t90＋5 min），得到硫化膠。

1.5 測試分析

（1）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；拉伸試樣垂直于膠片下片方向，按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》測試拉伸性能；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度的測定》測試撕裂強度；回彈值按照GB/T 1681—2009《硫化橡膠回彈性的測定》進行測試；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）》進行測試，制備試樣時使工作面垂直于下片面。

（2）在RPA2000型橡膠加工分析儀上進行硫化膠的應變掃描，應變范圍為0.28%～50%，頻率為1 Hz；在DMA上測試硫化膠的抗?jié)窕阅芎蜐L動阻力；在LFA447型導熱分析儀上測試硫化膠的導熱性；通過SEM觀察纖維在橡膠中的分散狀態(tài)。

2 結果與討論

2.1 混煉膠性能

混煉膠的門尼粘度和硫化特性如表1所示。

表1 混煉膠的硫化特性

從表1可以看出，隨著芳綸短纖維用量的增大，膠料的門尼粘度變化并不明顯，可見芳綸短纖維的適量加入對膠料的加工性能影響不大。但Fmax－FL隨著其用量增大而增大，這可能是由于芳綸短纖維吸附了橡膠分子，形成了大量的交聯點進而形成交聯網絡結構，交聯密度增大，膠料的流動性降低。

2.2 硫化膠性能

硫化膠的物理性能如表2所示。

表2 硫化膠的物理性能

從表2可以看出：隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的硬度、100%定伸應力、300%定伸應力和撕裂強度增大，拉斷伸長率則減小，這主要是因為芳綸短纖維分散在橡膠中起到骨架增強作用，提高了橡膠的剛性，硬度提升；隨著芳綸短纖維用量的增大，芳綸短纖維之間的搭接點增多，在橡膠基體中形成交織的網狀結構，并阻礙周圍橡膠高分子鏈的滑動，同時纖維與橡膠之間存在結合力，這些因素都會使定伸應力和撕裂強度增大、拉斷伸長率下降。

拉伸強度呈先增大后減小的趨勢，這主要是因為短纖維用量小時，受外力時短纖維能夠一定程度上限制橡膠基體的變形，首先作用在短纖維與橡膠之間的界面相，再作用在橡膠基體中，因此拉伸強度先增大；但隨著短纖維用量的增大，試樣受力時，芳綸短纖維兩端在橡膠中產生兩個應力集中點，應力集中點增多且破壞的可能性也變大，又降低了拉伸強度。

橡膠回彈值呈先減小后增大的趨勢，阿克隆磨耗量呈現先基本不變再變大的趨勢，這可能是因為芳綸短纖維用量小時，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，同時當橡膠磨掉時，短纖維則裸露在表面，對短纖維進行磨損，一定程度上降低了磨耗量，但隨著芳綸短纖維用量的增大，應力集中點變多，受力遭到破壞的可能性變大，反而增大了磨耗量。

2.3 動態(tài)性能分析

2.3.1 RPA分析

通過橡膠加工分析儀RPA2000對硫化膠進行應變掃描，通過儲能模量（G′）和應變（ε）來看芳綸短纖維在橡膠中的分散情況，結果如圖1所示。

圖1 硫化膠的G′-ε曲線

從圖1可以看出，隨著短纖維用量的增大，復合材料的G′先增大后減小，間接地反映了硫化膠彈性變化，吸收能量變大，彈性減小。

2.3.2 DMA分析

硫化膠的損耗因子（tanδ）-溫度曲線如圖2所示，局部放大曲線如圖3所示。

圖2 硫化膠的tan δ-溫度曲線

圖3 硫化膠的tan δ-溫度局部放大曲線

對于芳綸短纖維橡膠復合材料，在受外力作用時，橡膠基體通過界面相傳遞到纖維處，因此tanδ間接地反映了橡膠基體與芳綸短纖維之間的界面作用。從圖2可以看出：添加芳綸短纖維會降低橡膠的tanδ峰值，且用量越大，tanδ峰值越小，表明芳綸短纖維與橡膠的界面作用越差；tanδ峰值對應的溫度即玻璃化轉變溫度也降低，這可能是由于芳綸纖維的玻璃化轉變溫度低，在達到了橡膠的玻璃化轉變溫度時，芳綸短纖維在橡膠基體中還能夠起到補強作用，不致使橡膠發(fā)生脆性破壞；芳綸短纖維的加入減小了在復合材料中橡膠的比例，通常tanδ最大值會隨著填料用量的增大而減小。另外，芳綸短纖維與橡膠間的相互作用越強，橡膠分子鏈段的活動越受限制，G′增大，從而導致硫化膠的損耗更低，tanδ峰值降低。

圖3顯示了試樣的抗?jié)窕阅芎蜐L動阻力?？梢钥吹?，添加芳綸短纖維能夠改善抗?jié)窕阅埽珴L動阻力也變大了。

2.3.3 導熱性

硫化膠的熱導率如表3所示。

從表3可以看出，添加芳綸短纖維的硫化膠導熱性反而變差，可能是因為芳綸纖維耐高溫但導熱性差，在橡膠中并未能起到傳遞熱量的作用，反而阻礙橡膠的傳熱。隨著芳綸短纖維用量的增大，熱導率逐漸降低。

表3 硫化膠的熱導率 W·（m·K）-1

2.3.4 SEM分析

芳綸短纖維與橡膠結合的SEM照片如圖4所示。

從圖4可以看出，芳綸短纖維與橡膠的結合比較良好，短纖維根部與橡膠的結合較好，同時芳綸短纖維表面上有掛膠，表明橡膠試樣在受力作用時，短纖維與橡膠之間的粘合作用力較強，短纖維從橡膠中拔出抵消部分外力作用，使試樣性能提升，即隨著短纖維加入量的增大，定伸應力也逐漸增大。

圖4 芳綸短纖維與橡膠結合的SEM照片

3 結論

（1）隨著芳綸短纖維用量的增大，復合材料的拉伸強度先增大后減小，撕裂強度增大，拉斷伸長率減小，彈性先減小后增大，磨耗量慢慢增大。其中添加2份芳綸纖維拉伸強度和撕裂強度性能較好，同時磨耗性能最優(yōu)。

（2）由于芳綸纖維本身耐高溫，添加芳綸短纖維反而降低了膠料的導熱性能。

（3）添加芳綸短纖維能夠提高復合材料的抗?jié)窕阅埽珴L動阻力也相應增大。