玻璃纤维/NR/BR复合材料的制备及性能研究

杨传奇 王忠光 王 亮 翟登娅 赵桂英

(徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140)

滑倒被认为是导致人身伤害的一个主要原因,当鞋与地面摩擦力损失就可能导致滑倒发生；根据美国安全工程协会的统计，滑倒事故是引起职业死亡的第二大因素[1]；随着人们生活水平的提高，许多家居、商场、卫生间均铺设美观但光滑的大理石、瓷砖等地板，在考虑舒适性、耐用性的同时，也对鞋穿着安全性提出了更高的要求，因此对于鞋类防滑性能的研究，就显得尤为重要[2]。

鞋底是鞋子的主要部件，穿着时直接与地面接触，鞋底材料的防滑性已成为研究内容之一；橡胶鞋底优良的耐折性、耐磨性、防寒性、保暖性和防水性能等是其它材料所不能及的，目前它仍然是使用量最大的鞋底材料；鞋大底胶料中通常采用NR/HS、NR/SBR、NR/SBR/HS、或SBR/HS等并用，以期获得综合性能最佳的鞋底材料；浅色大底胶料通常采用白炭黑、碳酸钙、陶土、纳米矿物材料以及木质素等为补强填充剂，其中白炭黑的用量大，补强效果好，但其价格较高。

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，价格便宜，且绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，尺寸稳定性好；但未经表面处理的纤维性脆、耐磨性较差、表面光滑，活性基团少、浸润性差；已有研究表明，玻璃纤维经表面处理后，不仅可以大幅提高其耐磨性、耐扭断性．还能赋予玻璃纤维表面一定的活性基团，提高其与橡胶的相容性和界面粘结性，使其在橡胶基体中分散更加均匀,发挥补强剂的作用[3，4]；以NR/BR并用为主体材料，采用经表面处理的玻璃纤维部分替代白炭黑为填充补强剂，研究玻璃纤维的用量对NR/BR鞋底胶料硫化特性、力学性能、耐磨性及防滑性能的影响，为防滑鞋底材料的选用及开发提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原材料

NR：海南农垦公司产品；BR：北京利博恒远化工有限公司；玻璃纤维：泰安市白玉玻纤复合材料有限公司；沉淀法白炭黑：连云港连吉化学工业有限公司；纳米凹土：玖川纳米科技股份有限公司；氧化锌、硬脂酸：中国石化南京化工厂；软化剂、促进剂、防老剂等为市售产品。

1.2 基本配方

NR 55份，BR 45份，氧化锌 5份，硬脂酸 1份，PEG-4000 3份，二甘醇 2份，防老剂 1.5份，促进剂 1.5份，硫黄 2.0份，软化剂10份，增粘剂1.5份，补强填充体系为变量见表1。

表1 填料类型Table 1 the filler type

1.3 主要设备与仪器

开放式炼胶机XK-160、平板硫化机QLB-50D/Q均为无锡市第一橡塑机械有限公司；BM-Ⅲ 型摆式摩擦系数测定仪，江苏沭阳高速公路有限公司；无转子硫化仪GT-M2000-A：台湾高铁科技股份有限公司；电子拉力机JDL-2500 江都实验机械厂；阿克隆磨耗机、邵氏硬度计：江都试验机械厂。

1.4 试样制备

1.4.1复合材料的制备

玻璃纤维的预处理：将短切玻璃纤维浸泡在一定比例的硅烷偶联剂溶液中，经一定时间后，在105 ℃温度下烘干固化而成。

胶料的混炼：先调节双辊开炼机辊距至0.1 mm，首先加入NR薄通塑炼7次，然后加入BR混合均匀，制得塑炼胶；调整辊距至2 mm左右，留有少量堆积胶，并按以下加料顺序加入各种配合剂进行混炼：

1.4.2试样的硫化

将混炼后的胶料按规定的时间停放后，采用平板硫化机进行硫化试样的制备；硫化三要素为：温度：160 ℃，时间：T90，压力：15 MPa；阿克隆磨耗试验用胶轮的硫化时间为T90+7 min；将硫化后的试样在室温下停放12～36 h，采用冲片机进行试样的冲裁及性能测试。

1.5 性能测试 [5]

按照国家标准要求进行相关性能的测试；其中拉伸性能测试采用哑铃形Ⅰ型试样，拉伸速度为500 mm/min，撕裂性能测试采用直角型试样；胶料硫化特性的测试条件：温度设定为160 ℃，压力为0.35～0.6MPa；防滑性能测试采用 ASTM E303-93标准进行，试验基准物为玻璃。

2 结果与讨论

2.1 填料类型对NR/BR鞋底胶硫化特性的影响

填料类型对NR/BR鞋底胶硫化特性的影响见表2所示。

表2 填料类型对NR/BR鞋底胶硫化特性的影响Table 2 Impact of the filler type on the vulcanization characteristics of the NR/BR composites

T10、T90分别表示胶料的焦烧时间和正硫化时间，从表2中可以看出，5个配方胶料的T10均在55 s～85 s之间，胶料的焦烧时间适中，加工安全性很好，不易焦烧；5个配方胶料的T90均在173 s～253 s之间，胶料的工艺正硫化时间短，生产效率高，有利于节约能耗，降低生产成本；随着玻璃纤维用量的增加，胶料的正硫化时间逐渐缩短，明显小于白炭黑和纳米凹土填充胶料的硫化时间，原因可能是白炭黑和纳米凹土容易吸附胶料中的促进剂，延迟了胶料的正硫化时间。

2.2 填料类型对NR/BR鞋底胶力学性能的影响

填料类型对NR/BR鞋底胶力学性能的影响见图1。

图1 填料类型对NR/BR鞋底胶的拉伸强度、最大伸长率、硬度、300%定伸应力影响图Fig 1 The comparison chart of the tensile strength、elongation at break、hardness and 300% tensilestrength of different fillers on the NR/BR composites

拉伸强度表示硫化胶抵抗拉伸破坏的极限能力，从图1可以看出，随着玻璃纤维用量的增加，胶料的拉伸强度先增加后减少，当玻璃纤维加入量为6份时，胶料的拉伸强度出现最大值，当玻璃纤维用量增加至9份时，胶料的拉伸强度明显低于白炭黑填充胶料的拉伸强度，说明少量的玻璃纤维在橡胶中具有一定的补强作用，而多量的玻璃纤维可能会导致纤维堆积，不能完全浸润到橡胶基体中，使其在橡胶中的分散性变差，界面粘合强度小[6]，受力时容易从薄弱环节断裂，拉伸强度下降；由于纳米凹土表面效应大，与橡胶的相容性较差，因此添加6份纳米凹土胶料的拉伸强度稍小于白炭黑填充胶料，但明显大于填充相同分数的玻璃纤维胶料。

从图1还可以看出，胶料的最大伸长率随着玻璃纤维用量的增加逐渐降低，其数值明显小于白炭黑和纳米凹土填充胶料的伸长率，可能是经表面处理后的纤维与橡胶产生了粘合，从而限制了橡胶的变形，导致胶料伸长率降低；随着玻璃纤维用量的增多，胶料的硬度和300%定伸应力明显增大，说明纤维的添加能提高胶料抵抗变形的能力。

2.3 填料类型对NR/BR鞋底胶其它性能的影响

填料类型对NR/BR鞋底胶其它性能的影响见图2。

图2 填料类型对NR/BR鞋底胶的磨耗体积、撕裂强度、湿摩擦系数影响图Fig 2 The comparison chart of the Wear volume、tear strength and wet friction coefficient ofdifferent fillers on the NR/BR composites

从图2可以看出，添加纤维胶料的撕裂强度大于白炭黑和纳米凹土填充胶料，当玻璃纤维用量为6份时，胶料的撕裂强度最大，达到37.27 kN/m，可能是纤维的添加增强了胶料的内部结构，胶料在老化作用或受到尖锐物的撞击时不易产生裂口、破损，提高了胶料的抗撕裂性能；通常采用磨耗体积来表征胶料的耐磨性能，磨耗体积越大，胶料耐磨性越差，反之，胶料耐磨性越好；从图2可以看出，添加玻璃纤维胶料的磨耗体积明显大于白炭黑和纳米凹土填充胶料，说明玻璃纤维部分替代白炭黑会导致胶料的耐磨性变差；同样，添加纳米凹土胶料的磨耗体积也大于白炭黑胶料；当玻璃纤维用量少于6份时，胶料的硬度、拉伸强度、伸长率及磨耗体积等均达到或超过胶鞋大底国家标准性能指标的要求。

鞋类的防滑性是指外底对地面的止滑效果或抓着力，胶料的防滑性能通常采用摩擦系数来表示，摩擦系数越大，使胶料表面相对运动所需的力越大，说明胶料的止滑性能越好[7]；从图2可以看出，采用纳米凹土部分替代白炭黑胶料的湿摩擦系数与白炭黑填充胶料的相差不大，而采用玻璃纤维部分替代白炭黑胶料的湿摩擦系数均有所增加，当玻璃纤维用量为6份时，胶料的湿摩擦系数最大，达到0.228，说明玻璃纤维作为补强填充剂能增大胶料的湿摩擦系数，提高鞋底胶的抗湿滑性能。

3 结 论

采用玻璃纤维部分替代白炭黑能缩短胶料的正硫化时间，提高生产效率；随着玻璃纤维用量的提高，胶料的硬度、撕裂强度及湿摩擦系数增加，耐磨性逐渐降低；当玻璃纤维用量为6份时，胶料的拉伸强度最大，其综合性能高于白炭黑、纳米凹土部分替代白炭黑填充胶料的性能；由于胶料的湿摩擦系数越大，胶料的抗湿滑性能越好，可考虑将玻璃纤维用于浅色防滑鞋底胶料中，避免可能发生的滑倒跌伤事故。

[1] Li K, Courtney T, Huang Y, et al.Employee experience and perception of floor slipperiness: a field survey in fastfoodrestaurants[J].Professional safety, 2006, (9):34.

[2] 王勇,何洋,张应征．鞋类止滑性能试验方法[J]．橡胶工业，2007，54(10):593～596．

[3] 陈晔,顾伯勤等.表面处理对玻纤/碳纤增强橡胶基密封复合材料性能的影响[J]．南京工业大学学报，2007,29(4):25～29.

[4] 郑伟峰 等.高性能纤维和树脂发展现状[J]．西安文理学院学报:自然科学版,2013,16(1):27～30.

[5] 赵桂英,王忠光．高分子材料性能测试技术[M]．北京：化学工业出版社,2013，20～127.

[6] 赵付彬.短纤维增强氯丁橡胶复合材料的结构及力学性能研究[D],青岛科技大学硕士学位论文, 2012，04.

[7] 叶正茂．鞋类止滑性能试验方法的研究[J]．中国个体防护装备，2013,04：35～38.