芳纶短纤维补强天然橡胶复合材料性能研究

边慧光，李海涛，刘 洁，汪传生

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

将短纤维加入到橡胶中能够很好地改善橡胶的某些性能，同时加工性能也较好[1-3]。20世纪70年代以来，人们对不同的短纤维，如纤维素纤维、玻璃纤维、锦纶纤维、聚酯纤维、碳纤维以及芳纶纤维等补强骨架材料进行了大量研究。不同短纤维对橡胶性能的提高也各有不同。

芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温、优异的抗切割和耐化学腐蚀性能[4-5]。将芳纶纤维切成一定规格长度的短纤维，加入到天然橡胶（NR）中制备NR/纤维复合材料，能够提高复合材料的撕裂性能、耐磨性能，降低滚动阻力[6]。在现有技术的支持下，已经有公司采用芳纶纤维制备性能更优异的轮胎[7]。

本工作探究芳纶短纤维补强NR复合材料的性能。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，牌号RSS3，泰国进口产品；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石化上海高桥石化公司产品；高分散性RFL预浸渍芳纶短纤维，1.5 D，纤度为1.67 dtex，长度为3 mm，青岛三雄纤维科技有限公司产品；炭黑N330，卡博特（中国）有限公司产品。

1.2 试验配方

NR 80，BR 20，炭黑N330 50，氧化锌4，硬脂酸 2，环保芳烃油 5.5，防老剂4010NA

2，微晶蜡 2.5，增粘树脂SL-3020 0.5，粘合剂RA65 1，硫黄 2.3，促进剂CZ 0.7，其他填充剂 19，RFL预浸渍芳纶短纤维 变量（其中1#—5#配方用量分别为0，1，2，3，4份）。

1.3 主要设备和仪器

X（S）K-160型开炼机，上海橡胶机械厂产品；X（S）M-1.7 L型密炼机，青岛科技大学自行研制；SU8010型扫描电子显微镜（SEM），日本日立公司产品；MT-2207型弹性试验机，青岛默托森特精密检测有限公司产品；UT-2060型拉力试验机，中国台湾优肯科技股份有限公司产品；LFA447型导热分析仪，德国耐驰仪器制造公司产品；EPLEXOR-150 N型动态力学分析仪（DMA），德国GABO公司产品；RPA2000型橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品；GT-7012-D型阿克隆磨耗机，高铁科技股份有限公司产品。

1.4 试样制备

将生胶与炭黑、环保芳烃油和各种填充剂在密炼机中混炼，芳纶短纤维、硫黄、促进剂和粘合剂在开炼机上加入。

（1）混炼。加料顺序：NR/BR→50%炭黑、各种填充剂→环保芳烃油/剩余炭黑→提压砣清扫→混炼→排胶，得到母炼胶。

（2）纤维取向、加硫黄。将母炼胶在开炼机上以最小辊距包辊后加芳纶短纤维，待橡胶表面看不到短纤维后添加硫黄、促进剂和粘合剂，待小料分散均匀后薄通8次并以最小辊距下片，沿下片方向进行折叠，得到终炼胶。

（3）在平板硫化机上进行硫化，硫化条件为150 ℃ （t90＋5 min），得到硫化胶。

1.5 测试分析

（1）邵尔A型硬度按照GB/T 6031—1998《硫化橡胶或热塑性橡胶硬度的测定》在橡胶硬度仪上测试；拉伸试样垂直于胶片下片方向，按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》测试拉伸性能；撕裂试样沿着胶片下片方向，按照GB/T 529—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定》测试撕裂强度；回弹值按照GB/T 1681—2009《硫化橡胶回弹性的测定》进行测试；阿克隆磨耗量按照GB/T 1689—2014《硫化橡胶耐磨性能的测定（用阿克隆磨耗机）》进行测试，制备试样时使工作面垂直于下片面。

（2）在RPA2000型橡胶加工分析仪上进行硫化胶的应变扫描，应变范围为0.28%～50%，频率为1 Hz；在DMA上测试硫化胶的抗湿滑性能和滚动阻力；在LFA447型导热分析仪上测试硫化胶的导热性；通过SEM观察纤维在橡胶中的分散状态。

2 结果与讨论

2.1 混炼胶性能

混炼胶的门尼粘度和硫化特性如表1所示。

表1 混炼胶的硫化特性

从表1可以看出，随着芳纶短纤维用量的增大，胶料的门尼粘度变化并不明显，可见芳纶短纤维的适量加入对胶料的加工性能影响不大。但Fmax－FL随着其用量增大而增大，这可能是由于芳纶短纤维吸附了橡胶分子，形成了大量的交联点进而形成交联网络结构，交联密度增大，胶料的流动性降低。

2.2 硫化胶性能

硫化胶的物理性能如表2所示。

表2 硫化胶的物理性能

从表2可以看出：随着芳纶短纤维用量的增大，硫化胶的硬度、100%定伸应力、300%定伸应力和撕裂强度增大，拉断伸长率则减小，这主要是因为芳纶短纤维分散在橡胶中起到骨架增强作用，提高了橡胶的刚性，硬度提升；随着芳纶短纤维用量的增大，芳纶短纤维之间的搭接点增多，在橡胶基体中形成交织的网状结构，并阻碍周围橡胶高分子链的滑动，同时纤维与橡胶之间存在结合力，这些因素都会使定伸应力和撕裂强度增大、拉断伸长率下降。

拉伸强度呈先增大后减小的趋势，这主要是因为短纤维用量小时，受外力时短纤维能够一定程度上限制橡胶基体的变形，首先作用在短纤维与橡胶之间的界面相，再作用在橡胶基体中，因此拉伸强度先增大；但随着短纤维用量的增大，试样受力时，芳纶短纤维两端在橡胶中产生两个应力集中点，应力集中点增多且破坏的可能性也变大，又降低了拉伸强度。

橡胶回弹值呈先减小后增大的趋势，阿克隆磨耗量呈现先基本不变再变大的趋势，这可能是因为芳纶短纤维用量小时，在取向状态下摩擦，短纤维能限制橡胶基体的变形能力，在一定程度上限制裂纹的发展，同时当橡胶磨掉时，短纤维则裸露在表面，对短纤维进行磨损，一定程度上降低了磨耗量，但随着芳纶短纤维用量的增大，应力集中点变多，受力遭到破坏的可能性变大，反而增大了磨耗量。

2.3 动态性能分析

2.3.1 RPA分析

通过橡胶加工分析仪RPA2000对硫化胶进行应变扫描，通过储能模量（G′）和应变（ε）来看芳纶短纤维在橡胶中的分散情况，结果如图1所示。

图1 硫化胶的G′-ε曲线

从图1可以看出，随着短纤维用量的增大，复合材料的G′先增大后减小，间接地反映了硫化胶弹性变化，吸收能量变大，弹性减小。

2.3.2 DMA分析

硫化胶的损耗因子（tanδ）-温度曲线如图2所示，局部放大曲线如图3所示。

图2 硫化胶的tan δ-温度曲线

图3 硫化胶的tan δ-温度局部放大曲线

对于芳纶短纤维橡胶复合材料，在受外力作用时，橡胶基体通过界面相传递到纤维处，因此tanδ间接地反映了橡胶基体与芳纶短纤维之间的界面作用。从图2可以看出：添加芳纶短纤维会降低橡胶的tanδ峰值，且用量越大，tanδ峰值越小，表明芳纶短纤维与橡胶的界面作用越差；tanδ峰值对应的温度即玻璃化转变温度也降低，这可能是由于芳纶纤维的玻璃化转变温度低，在达到了橡胶的玻璃化转变温度时，芳纶短纤维在橡胶基体中还能够起到补强作用，不致使橡胶发生脆性破坏；芳纶短纤维的加入减小了在复合材料中橡胶的比例，通常tanδ最大值会随着填料用量的增大而减小。另外，芳纶短纤维与橡胶间的相互作用越强，橡胶分子链段的活动越受限制，G′增大，从而导致硫化胶的损耗更低，tanδ峰值降低。

图3显示了试样的抗湿滑性能和滚动阻力。可以看到，添加芳纶短纤维能够改善抗湿滑性能，但滚动阻力也变大了。

2.3.3 导热性

硫化胶的热导率如表3所示。

从表3可以看出，添加芳纶短纤维的硫化胶导热性反而变差，可能是因为芳纶纤维耐高温但导热性差，在橡胶中并未能起到传递热量的作用，反而阻碍橡胶的传热。随着芳纶短纤维用量的增大，热导率逐渐降低。

表3 硫化胶的热导率 W·（m·K）-1

2.3.4 SEM分析

芳纶短纤维与橡胶结合的SEM照片如图4所示。

从图4可以看出，芳纶短纤维与橡胶的结合比较良好，短纤维根部与橡胶的结合较好，同时芳纶短纤维表面上有挂胶，表明橡胶试样在受力作用时，短纤维与橡胶之间的粘合作用力较强，短纤维从橡胶中拔出抵消部分外力作用，使试样性能提升，即随着短纤维加入量的增大，定伸应力也逐渐增大。

图4 芳纶短纤维与橡胶结合的SEM照片

3 结论

（1）随着芳纶短纤维用量的增大，复合材料的拉伸强度先增大后减小，撕裂强度增大，拉断伸长率减小，弹性先减小后增大，磨耗量慢慢增大。其中添加2份芳纶纤维拉伸强度和撕裂强度性能较好，同时磨耗性能最优。

（2）由于芳纶纤维本身耐高温，添加芳纶短纤维反而降低了胶料的导热性能。

（3）添加芳纶短纤维能够提高复合材料的抗湿滑性能，但滚动阻力也相应增大。