碳纤维对橡胶材料基体的机械性能增强

于化龙 (中国石油大学 (北京) 克拉玛依校区工学院，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

随着我国工业发展的进步，各类工业发展异军突起，电力工业、汽车工业以及航空航天等领域广泛应用橡胶材料：例如橡胶由于具有良好的绝缘特征，被广泛用于电缆的绝缘保护套制作材料；由于具有较好的弹性、拉伸强度、抗撕裂等特性，多被用于汽车的轮胎制造、配件；耐高温、耐摩擦、阻燃等特性，使橡胶材料成为备受航空航天行业青睐的、外部表面的理想制作材料。另外，由于具有良好的耐油性，作为油井专用材料、密封圈材料等橡胶的常见用途。凡此种种，本文不再一一列举。文章主要探讨橡胶与碳纤维结合产生的改性效果。

1 橡胶

1.1 橡胶的概念

橡胶是一种具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在受力很小的情况下能产生较大的形变，外力消失后又能迅速恢复原状，橡胶分子量巨大，是一种用途非常广泛的材料，它主要是从三叶橡胶树的胶乳中提取出来的，呈乳白色。天然橡胶的强度相对较低，抗撕裂性能差，需要对天然橡胶进行加工和处理，添加一些其他材料能有效提升橡胶的一些性能，诸如耐热、抗寒、耐磨、抗静电等，即成为合成橡胶。

1.2 合成橡胶的分类

橡胶有天然橡胶和合成橡胶之分，本研究仅针对合成橡胶进行探讨。合成橡胶材料的成分更复杂，其具有的很多性能较天然橡胶大大增强，例如拉伸强度、耐热、抗寒、耐磨、抗静电等。根据添加材料的不同，合成橡胶可以分为很多种，常见的合成橡胶有丁腈橡胶材料、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶等。不同复合材料合成的橡胶材料有各自的优点和缺点，但总体而言，丁腈橡胶是目前用途最广泛的橡胶之一。

由于丁腈橡胶具有弹性高、模量低、耐油性好、阻燃性强、耐老化好、气密性强等优点，在如汽车工业、石油工业、船舶工业、军事后勤装备等方面应用广泛，本文仅以丁腈橡胶为例，探讨不同材料的加入对橡胶相关机械性能的增强效果。

2 碳纤维的概念、特点、分类及应用

2.1 碳纤维的概念

碳纤维是一种含碳量非常高的高强度、高模量纤维，其最大的特点是耐高温，在所有化学纤维中堪居首位。其原料一般是腈纶和粘胶，经高温、高氧碳化而成，含碳量高达90%，是一种不可多得的耐高温材料，在许多关键领域发挥着重要作用，例如用于航天器等高技术器材设备的制作材料。

2.2 碳纤维的特点

碳纤维具有强度高、刚性大、耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，其质地柔软、外形呈现纤维状，可作为各种织物的制作材料。由于碳纤维具有密度小、石墨微晶沿纤维轴择优的取向特点，因此具有很高的强度和模量。

2.3 碳纤维的分类

“碳纤维”实际上是多种碳纤维的总称，具体可以根据不同的分类标准分为许多类。常见的有聚丙烯腈基、沥青基及黏胶基这三类，又因原纤维种类、工艺及最终碳纤维性能等不同而被细分成许多品种。还有一些超高性能碳纤维，例如活性碳纤维、抗氧化碳纤维、中空碳纤维、低热膨胀系数碳纤维、高导热低电阻碳纤维等。碳纤维作为一种复合材料，其功能日益强大，应用日渐广泛。

2.4 碳纤维主要的应用方向

碳纤维一般会作为增强材料，与橡胶、树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制成性能优越的复合材料，在一些高精尖领域发挥着重要作用，例如可作为飞机、火箭、防弹车等的制造材料。

3 碳纤维用于橡胶材料的优势

一直以来，人们对于碳纤维和橡胶材料的一些共性都倍加肯定，例如二者都具有的耐高温、耐磨、抗撕裂等性能。人们猜想将二者结合起来会产生性能更好的材料，相应的研究成果也早就投入产品的开发。本研究提出猜想：将短碳纤维用于丁腈橡胶材料的改性，将能增强橡胶的耐磨和强度等机械性能。

4 短碳纤维含量对丁腈橡胶力学性能的影响

4.1 研究过程

本研究通过实验的方式来展开讨论。

4.1.1 材料

采用的原材料主要如下：丁腈橡胶 (中国石油兰州石化公司)、短切碳纤维 (中复神鹰碳纤维有限责任公司)、硫磺 (昆山联瑞橡塑有限公司)、硬脂酸 (上海宗龙化工有限公司)、氧化锌 (上海祁聚化工有限公司)、二硫化四甲基秋兰姆 (昆山联瑞橡塑有限公司)、N-环己基-2-本骈噻唑次磺酰胺 (昆山联瑞橡塑有限公司)、白碳黑 (上海祁聚化工有限公司)、碳酸钙 (上海祁聚化工有限公司)[1]。

4.1.2 制备试样

除碳纤维以外，将其他所有原料依次置于密炼机中进行密炼，密炼温度范围设定为95～105 ℃。在双辊开炼机上，向密炼胶中添加不同量的碳纤维，根据碳纤维复合橡胶材料不同的取向程度，需要采用不同的混炼方法。

将混炼获得的胶进行返炼，然后按照配比添加碳纤维，确保混炼均匀。

取适量混炼胶返炼，加入碳纤维，这次不需要打三角包和薄通处理，利用混炼机械设备的剪切力获取碳纤维复合材料，即所谓的生料。把双辊获得的复合材料依照一定的方向剖开，一般是沿着压延垂直剖开，就可得到垂直取向的碳纤维复合橡胶材料。

根据橡胶拉伸测试的要求，制备没有硫化的碳纤维/丁腈橡胶复合材料等具有不同取向的拉伸试样，将各自试样置于电热平板液压机上进行硫化，分别获得随机、平行、垂直取向的3种碳纤维橡胶复合材料试样。

4.2 性能测试

(1)使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)测试法，将试样进行处理后置于电子显微镜 (日本日立S7 000)下对试样的纤维取向进行观测。

(2)进行几项重要的机械性能测试，包括拉伸性能检测、磨耗测试、摩擦系数测定。

通过检测发现，碳纤维在丁腈橡胶中是随机分布的，其间的结构是互相交错搭接的，这样就形成了骨架材料，再与橡胶配合进而形成复合材料。本实验采用的是取向混炼工艺，使得碳纤维在橡胶基体里的分散良好，大大提高了纤维的取向分布比例，结果表明其沿压延方向取向程度得到显著提高，达到了取向的效果[2]。

经过双辊混炼压延后，复合材料的取向度都在50%以上，但是纤维含量的增加对于取向度的影响不够显著。推测主要是因为碳纤维的刚性特点导致其流动取向速度较橡胶材料慢，取向主要受后期不同混合炼的工艺方法影响。假定采用的混炼工艺一样，那么碳纤维含量又由于自身柔软的特性，与丁腈橡胶材料的结合不够完美，导致实验结果出现误差。

4.2.1 碳纤维含量的不同，会显著改变混炼橡胶材料的拉伸强度

碳纤维含量的不同，会导致混炼橡胶材料的拉伸强度产生较大的改变。实验表明，增加碳纤维后，样品的拉伸强度和拉断伸长率随着碳纤维硬度的增加而减小，原因是弹性变形性受到限制，位移减少，而又由于碳纤维柔软的特征，橡胶材料300%定伸强度得到显著提升。平行取向的碳纤维复合橡胶材料，表现出了良好的拉伸性能，其次是随机取向的，强度最差的则为垂直取向的碳纤维复合材料，主要由于垂直取向降低了胶的基体强度[3]。顾名思义，随机取向的碳纤维在复合材料中分布方向是随机的。当纤维在橡胶材料中的取向为平行排列的时候，应力方向与纤维方向一致，由于碳纤维受到基体产生的剪切应力以及由该剪切应力引起的纤维轴向的拉伸应力，复合材料表现出更高的拉伸强度和拉断伸长率。然而当沿着垂直方向取向时，纤维不但没有起到增强作用，反而加大了纤维的拔出率，被视为橡胶基体的缺陷。在拉伸应力作用下，碳纤维从橡胶内拔出，必然会使得应力集中，改变了橡胶材料拉伸的曲线趋势，更为重要的是，如果集中点过多，很大可能会使复合材料发生断裂。

4.2.2 添加碳纤维，会导致橡胶材料的抗撕裂性能下降

碳纤维的量必须控制在一定范围内，添加碳纤维，虽然增强了胶的基体强度，但是同时也降低了橡胶的弹性，使橡胶的撕裂应力增大，削弱碳纤维和胶的结合度，使得纤维拔出，缺少了碳纤维的硬度加持，自然就弱化了橡胶的基体强度，最终使得抗撕裂性能下降。

4.2.3 适量碳纤维的增加，可显著提升橡胶基体的耐摩擦性能

摩擦实验中，在设定室温条件下，转速为200 r/min，时间为10 min，对添加了不同含量碳纤维的橡胶材料进行摩擦实验。由实验结果可知，当加载的外力为16 N或者20 N时，此时的摩擦系数(M0)曲线较大；当加载力在20 N时，摩擦系数(M1)曲线趋近于平稳摩擦系数，低于M0。分析对比可知，前者比后者的磨损量增加了近1.5倍[4]。由此可知，在丁腈橡胶中添加15份碳纤维能显著减小胶的摩擦系数，降低胶的磨损量，从而大大提高胶的耐摩擦性能。

随着实验的推进，碳纤维的添加量对橡胶机械性能的作用愈加显著，而不同的含量，会产生不同的效果，对橡胶材料机械性能的改变各有侧重。

5 结语

随着科技和工业的发展，对碳纤维和橡胶材料的结合会更有针对性，能根据需要改良橡胶材料的性能。在平行取向的碳纤维橡胶材料中，磨耗和碳纤维耐摩擦性能加大，而随机取向分布的以及垂直取向的橡胶复合材料磨耗先降低，后增大，而摩擦系数的加大与减小与磨耗的变化恰恰相反，是先增加，后减少的。合理增加碳纤维能有效增强橡胶的耐摩擦性、降低橡胶材料的拉伸强度、降低橡胶材料的抗撕裂性能。

总而言之，尽管添加碳纤维对橡胶材料显著的改性效果，在进行橡胶材料的复合研究时，也需要注意控制碳纤维的含量以及其对应的加载力取向。