丁腈橡膠/芳綸短切纖維復(fù)合材料的制備及性能研究

仇鵬，崔永生，楊凱，吳明明，閆思夢，趙雄燕

(1.河北鐵科翼辰新材科技有限公司，河北 石家莊 052160；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 航空輕質(zhì)復(fù)合材料與加工技術(shù)河北省工程實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050018)

改善橡膠與芳綸纖維之間的界面結(jié)合力[1-2]，提高芳綸纖維在丁腈橡膠基體中的分散均勻性是制備高性能丁腈橡膠/芳綸纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵。芳綸纖維經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻婊瘜W(xué)修飾與改性，可以有效地改善其表面的物理和化學(xué)性質(zhì)[3]，使其與橡膠基體之間的相容性得到提高，借助于芳綸纖維和橡膠基體之間良好的界面相互作用，可以使芳綸纖維的高模量、高強(qiáng)度和良好的尺寸穩(wěn)定性[4]與丁腈橡膠優(yōu)異的耐油性、耐磨性以及良好耐熱性能有機(jī)結(jié)合起來，制備集橡膠的高彈性和纖維的高強(qiáng)度和高剛度于一身的高性能復(fù)合材料[5-8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

丁腈橡膠6280、芳綸纖維(kevlar 6 mm)、炭黑N330、橡膠助劑均為工業(yè)品；高錳酸鉀、硫酸、丙酮、無水乙醇為分析純。

KQ-500E超聲波清洗器；XSK-160開放式塑煉機(jī)；MDR-2000電腦型無轉(zhuǎn)子硫化儀；45t平板硫化機(jī)；LX-A橡膠硬度計(jì)；ETM-104C萬能拉力機(jī)；S-4800-1掃描電子顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 芳綸短切纖維表面處理 將芳綸短切纖維浸泡在丙酮中浸潤24 h，再超聲波處理30 min，而后用無水乙醇洗滌除去纖維表面的丙酮，最后用蒸餾水洗滌后烘干；將烘干后的芳綸短切纖維放入濃度為5 g/L高錳酸鉀硫酸溶液中，于60 ℃分別浸泡10，20，30 min，然后用蒸餾水洗凈、烘干備用。

1.2.2 芳綸短切纖維與丁腈橡膠復(fù)合 在開放式塑煉機(jī)上加入丁腈橡膠，常溫塑煉，隨后加入芳綸短纖維、硫化助劑和炭黑等混煉均勻，薄通3次后下片備用；使用平板硫化機(jī)，將模具預(yù)熱至設(shè)定溫度 160 ℃，然后放入混煉膠，設(shè)定硫化時間并加壓硫化，到達(dá)硫化時間后取出模具及試樣備用。

1.2.3 性能檢測 按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 528—1998、GB/T 529—1999和GB/T 531.1—2880對復(fù)合材料的拉伸性能、撕裂性能、硬度等進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 芳綸短切纖維處理時間對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖1給出了芳綸短切纖維不同的表面處理時間對復(fù)合材料拉伸性能的影響。

圖1 芳綸短切纖維表面處理時間對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

由圖1可知，延長處理時間，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸提高，在處理時間為20 min時，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大；而當(dāng)芳綸短切纖維表面處理時間超過 20 min 后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度不再有明顯的改變。這可能是由于處理時間較短時，可有效改善芳綸短切纖維與丁腈橡膠之間的界面結(jié)合力，而當(dāng)處理時間超過20 min后，芳綸短切纖維表面破損較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致其與丁腈橡膠的界面結(jié)合力降低。

2.2 芳綸短切纖維處理時間對復(fù)合材料撕裂強(qiáng)度的影響

圖2給出了芳綸短切纖維表面不同的處理時間對復(fù)合材料撕裂強(qiáng)度的影響。

圖2 芳綸短切纖維表面處理時間對復(fù)合材料撕裂強(qiáng)度的影響

由圖2可知，在所研究的處理時間范圍內(nèi)，纖維表面的處理時間對復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度影響不明顯，只是當(dāng)處理時間超過10 min后，復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度隨處理時間的增加略有降低。這可能是由于隨纖維表面處理時間的延長，纖維表面受損程度有所增加，在混煉過程中更容易破損，從而影響復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度。

2.3 芳綸短切纖維處理時間對復(fù)合材料扯斷伸長率的影響

圖3為芳綸短切纖維不同的表面處理時間對復(fù)合材料斷裂伸長率的影響。在所研究的處理時間范圍內(nèi)，復(fù)合材料的扯斷伸長率隨纖維表面處理時間的增加呈上升趨勢，表明表面改性后的芳綸短切纖維在橡膠基體中起到了增強(qiáng)的功能，使復(fù)合材料承受載荷的能力得到提升；但處理時間超過20 min后，斷裂伸長率隨纖維表面處理時間的變化趨于平緩。

圖3 芳綸短切纖維表面處理時間對復(fù)合材料扯斷伸長率的影響

2.4 芳綸短切纖維處理時間對復(fù)合材料硬度的影響

芳綸短切纖維表面不同的處理時間對復(fù)合材料硬度的影響見圖4。

圖4 芳綸短切纖維表面處理時間對復(fù)合材料硬度的影響

由圖4可知，纖維表面的處理時間對復(fù)合材料的硬度影響不明顯，只是在處理時間達(dá)到30 min時硬度略微有所降低。其原因主要是在所研究的纖維處理時間范圍內(nèi)，硫酸高錳酸鉀溶液對纖維表面的腐蝕程度并未造成纖維模量的實(shí)質(zhì)改變，因此，表觀硬度變化也就不顯著。

2.5 芳綸短切纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

為了解釋上述機(jī)械性能的變化規(guī)律，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對未處理的芳綸短切纖維和硫酸高錳酸鉀溶液處理后的芳綸短切纖維表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和對比分析，結(jié)果見圖5。

圖5 芳綸短切纖維的掃描電子顯微鏡圖

由圖5可知，未經(jīng)高錳酸鉀硫酸溶液處理的芳綸短切纖維表面平整光滑，無明顯溝壑，故混煉過程中其與丁腈橡膠的界面結(jié)合力較弱；而經(jīng)過高錳酸鉀硫酸溶液處理后的芳綸短切纖維表面變得粗糙且出現(xiàn)許多凹槽，從而使芳綸短切纖維與丁腈橡膠在混煉過程中界面親和力提高，二者界面之間的相容性得到改善。

3 結(jié)論

采用高錳酸鉀硫酸溶液對芳綸短切纖維表面進(jìn)行處理改性以提高其與丁腈橡膠的界面結(jié)合力，從而改善丁腈橡膠/芳綸短切纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)中研究了芳綸短切纖維表面不同處理時間對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1)隨芳綸短切纖維表面處理時間的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸提高，在處理時間為20 min時，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大。

(2)復(fù)合材料的扯斷伸長率隨纖維表面處理時間的增加呈上升趨勢，但處理時間超過20 min后，扯斷伸長率的變化趨于平緩。

(3)在所研究的改性時間范圍內(nèi)，芳綸短切纖維表面的處理時間對復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度和硬度的影響不明顯。