碳纤维对氯丁胶性能的影响

张国宁 高世阳

碳纤维对氯丁胶性能的影响

张国宁1高世阳2

（1 天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）（2 海装北京局驻天津地区第三军事代表室，天津，300308）

本文采用机械共混方法用碳纤维增强氯丁橡胶，通过测试力学性能如邵尔A型硬度、拉伸强度、拉断伸长率等，确定碳纤维适合增强氯丁橡胶的最佳用量。

复合材料；氯丁橡胶；碳纤维；制备；力学性能

1 前言

橡胶具有极好的回弹性、绝缘性、隔水性和耐屈挠性等特性，但是普通橡胶由于自身强度低、耐磨性能差、耐高温性差而影响其使用寿命[1]，以下同。在普通橡胶中添加高模量的短纤维是改善其性能的最佳途径之一。碳纤维和玻璃纤维都是常选用的纤维，它们都有较高的拉伸强度和弹性模量，且具有耐腐蚀性和耐老化性，性能良好，热膨胀系数小，耐热性好，吸水性小等优点，都是非常好的增强材料[2]。但是玻璃纤维有质脆、柔性小和致癌等缺点[3]。而碳纤维具有高强度、高模量、低伸长、耐磨性和传导性(包括导热性和导电性)等特殊的性能[4]，利用碳纤维的润滑性，耐磨性和导热性，可显著改善碳纤维增强橡胶复合材料的耐磨性。

本文主要是碳纤维增强橡胶复合材料性能的研究，实验研究过程中首要的难题是它们的相容性，我们利用丙酮对碳纤维表面进行浸泡搅拌，以除去碳纤维表面的浆液，干燥后再加入偶联剂KH-550和Si-69，分别浸泡处理以促进相容性。用碳纤维增强氯丁橡胶，通过测试力学性能如邵尔A型硬度、拉伸强度、拉断伸长率、磨耗等，确定增强橡胶的碳纤维的最佳用量。

2 实验部分

2.1 主要原料

本实验所用主要实验原料见表1。

表1 实验原料

2.2 碳纤维表面的处理

由于碳纤维表面平滑、活性官能团少、表面能低、呈现表面化学惰性、与基体界面粘结能力较弱，一定程度上限制了碳纤维增强复合材料的应用。因此，对碳纤维进行表面处理来增强其表面活性对扩大其应用是非常必要的。一般方法是进行浸涂处理，涂层溶液的固含量愈低，表面张力越小，愈易浸润纤维。另一方面，碳纤维经表面处理后，表面积增大，表面活性基团(如一COOH，一OH等)浓度增加，从而有利于碳纤维与橡胶的浸润和粘结。要想将碳纤维较好的融入到橡胶当中，必须要对纤维的表面进行处理，已达到完全融合的目的。经过实验研究，利用丙酮处理纤维表面是最佳方法，经处理后的纤维必须在烘箱中烘2小时左右，至干燥才可使用。为了使碳纤维和橡胶更好的融合，本课题拟定用偶联剂KH-550和Si-69来增加碳纤维和橡胶的相容性。KH-550有2种功能团，即氨基与乙氧基。其中三个乙氧基是可以水解的基团，在反应过程中先水解成硅醇，而硅醇稳定性弱，极易与碳纤维表面的羟基结合脱去水，从而与碳纤维结合。氨基上带的两个氢非常活泼，可以与各种聚合物反应，从而通过化学键将两种性质完全不同的材料——碳纤维和橡胶紧密地结合起来。待橡胶与纤维混炼均匀，加入配合剂进一步混炼，最后加入硫化剂混匀、硫化。

2.3 主要设备与仪器

本实验所用主要实验仪器见表2。

表2 实验仪器

2.4 试样的制备

2.4.1实验基本配方

配方：氯丁橡胶100份，碳纤维（CF）变量，偶联剂变量，白炭黑 20份，氧化锌 8份，硬脂酸 2份，防老剂D 1份，促进剂M 1份，硫磺1份。

以上配方份为质量份，且以橡胶为100份计算。

2.4.2标准试样的制备

先将橡胶在辊温为40℃、辊距为1mm的开炼机上塑炼，然后加入配合剂混炼，然后在温度150℃，压力10MPa的条件下硫化30min。加料顺序为：橡胶、白炭黑、碳纤维（KH-550，Si-69处理5分钟）、其他配合剂（硬脂酸、防老剂D、促进剂M等）、硫化剂，下片停放8h后进行模具压样硫化。

2.4.3 拉伸试样的制备

将试样从模具上取下来，用裁样设备把试样裁成哑铃型，哑铃型的是细颈长115mm，宽6.00±0.50mm，厚4.00±0.50mm的试样。哑铃的两端作为拉伸机的夹具夹取部分，制备成功后待测。

2.4.4耐磨性损耗实验的试样制备

将试样从模板上取下来，用台式钻床制成圆柱试样，圆柱试样是高8.00±0.50mm，直径16.00±0.5mm的试样，制备成功后待测。

2.4.5热老化试样的制备

将试样从模板上取下来，用裁样设备把试样裁成哑铃型，哑铃型的是细颈长115mm，宽6.00±0.5mm，厚4.00±0.50mm的试样，然后把试样放于老化箱中在150℃条件下老化24小时。

2.4.6扫描电镜试样的制备

从模具上取下的试样放置一段时间冷却以后，从试样上截取宽和厚小于5mm的条形小试样并且做好试样标记，将小试样液氮冷却处理，然后取出后拉断。拉断后取断面平整的作为实验试样进行干燥、除尘、喷金处理后放入电镜中观察。

2.4.7红外光谱实验试样的制备

将试样从模板上取下来，剪成小条状，放于磨耗机上磨成细粉颗粒，制备成功后待测。

3 结果与讨论

3.1 碳纤维的用量对氯丁橡胶性能的影响

本实验以氯丁橡胶为基相，硫化压力为10MPa，硫化时间为30min，硫化温度为150℃。表3是碳纤维的含量对氯丁橡胶老化前后的性能影响进行研究。

表3 碳纤维含量对氯丁橡胶老化前后性能的影响

如表3所示，12phr碳纤维增强CR的橡胶试样老化前后的拉伸强度和拉断伸长率最好，说明此用量下的橡胶复合材料效果最佳。当碳纤维的量小于12phr时，CR试样各项性能都呈递增的趋势，这个范围内CF的量的增加可以更好地增强橡胶，这可能是由于随着碳纤维量的增加，纤维与氯丁橡胶粘结均匀，混合效果更好；而当CF的量大于12phr时，其各项性能都呈递减趋势，且趋势明显。这可能是由于当纤维的含量增加，纤维的含量过多导致纤维与氯丁橡胶的粘结不均，混合不匀，没有完全浸入在橡胶的基体中，导致拉伸强度下降。但是在13份和14份时力学性能不好，可能是因为实验和仪器误差导致的。值得注意的是当CF的量大于12phr份时，其拉断伸长率性能下降十分明显，说明随着碳纤维量的增加，对试样拉断伸长率有较恶劣的影响。

3.2 碳纤维/氯丁橡胶复合材料的扫描电镜分析

扫描电镜能很清晰的观察试样的形貌，由于前面通过测试得出CF/CR的效果最佳，通过本实验通过对比五种试样，进一步确定复合材料的最佳配方。

图1均为试样放大500倍扫描电镜照片，可以观察到a）图碳纤维数量是5phr的试样，排列比较整齐，分布均匀；b）图碳纤维数量是10phr的试样，但是分布不是很均匀，且排列出现不整齐现象；c）图碳纤维数量是12phr的试样，分布均匀，且排列整齐都向同一个方向，相界面接触良好，这样可以更好的增强氯丁橡胶的力学性能；d）图碳纤维数量是15phr的试样，图中碳纤维数量比c）图多些，但是还是出现了排列错乱的现象，且空隙较多，相容性不是很好；e）图碳纤维是20phr的试样，能明显观察到其碳纤维含量最高，排列却杂乱无章，纤维与橡胶的相界面接触也不好，相容性不好。

从以上的5个图中，我们可以发现当CF为12份时把试样在500倍扫描电镜下的扫描图像要比其他配方试样的效果好很多，分布均匀，排列整齐，相界面相容良好。说明在该配方下各配合剂用量适当，相容性最好，这样使增强后的复合材料性能有了明显的提高。

3.3 碳纤维/氯丁橡胶复合材料的红外光谱图

为了测试碳纤维与橡胶的相容性，对各试样进行红外光谱图分析，得到FT-IR图。

图2 碳纤维/氯丁橡胶红外光谱图

由图2中各图比较可以看出，虽然在1100cm-1点处都出现吸收峰较空白样橡胶吸收峰弱的现象，但是只有图d)在1496cm-1点处的拥有特征峰，有C-O的伸缩和O-H的键角的震动，可以认为偶联剂KH-550与碳纤维、氯丁橡胶反应的结果，则KH-550对其相容性起到较好的作用。而图a)与图d）比较可以看出图d)在1645cm-1有峰出现，拟认为是C=N的伸缩震动，因为该试样中有CF和KH-550的加入。则可以得出此复合材料中偶联剂KH-550对碳纤维与橡胶的交联发挥了作用，使其结合效果较好，相容性得到了提高。

4 结论

本文以氯丁橡胶为基相，KH-550（Si-69）作为偶联剂研制出邵尔A型硬度大、拉伸强度好、拉断伸长率大的橡胶复合材料。通过本次实验研究，得到了以下结论：

（1）当碳纤维用量为12份时，碳纤维/氯丁橡胶复合材料的力学性能最好。

（2）由扫描电镜和红外光谱分析，确定CF加入量为12份时，CF与KH-550及CR的结合度最佳，相容性最好。

（3）本实验研究最佳配方为：氯丁橡胶 100份，碳纤维 12份， KH-550 2.5份，白炭黑 20份，防老剂D 1份，促进剂M 1份，硬脂酸1份，硫磺1份，氧化锌 8份。

[1] WU Q, BAO J W, ZHANG C, et al. The effect of thermal stability of carbon nanotubes on the flame retardancy of epoxy and bismaleimide/carbon fiber/buckypaper composites[J]. J Therm Anal Calorim, 2011, 103(1): 237–242.

[2] 关长斌, 赵玉成, 陆文明. CG混合纤维/橡胶复合材料的黏弹性[J]. 复合材料学报，2008，25(1)：76-79.

[3] DENG F, ZENG X R, ZOU J H. Synthesis and electrochemical analyses of vapor-grown carbon fiber pyrolytic carbon-coated LiFePO4 composite[J]. J Mater Sci, 2011, 32(46): 5896–5902.

[4] 李涛, 陈蔚, 成理等. 碳纤维复合材料低成本多用途发展展望[J]. 科技咨询，2009, 2(22): 18-22.

张国宁，男，1990年出生，毕业于齐齐哈尔大学，2013年7月就职于天津环宇橡塑股份有限公司，2014年8月至今就职于天津市橡胶工业研究所有限公司。