CN107652494A - 一种芳纶浆粕与玄武岩短纤维定向增强的橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种芳纶浆粕与玄武岩短纤维定向增强的橡胶复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种芳纶浆粕与玄武岩短纤维定向增强的橡胶复合材料及其制备方法，其组分和质量百分比为：氯丁橡胶100份、增塑剂1‑10份、补强剂20‑100份、硫化剂5‑10份、玄武岩短纤维1‑20份、芳纶浆粕1‑20份、硅烷偶联剂1‑3份、防老剂1‑4份、硬脂酸1份。本发明通过芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用，改善了单用玄武岩短纤维易脆断、模量低和单用芳纶浆粕屈挠性能差、变形差、价格贵的缺点。本发明制备的复合材料硫化胶达到的力学性能为：芳纶浆粕和玄武岩短纤维取向沿哑铃型拉伸试样拉伸方向取向：硬度70～80(邵A)；拉伸强度(室温)10～15MPa；拉断伸长率200～300％；撕裂强度60～70N/mm；屈挠次数为1000‑6000次；动刚度为3000‑5000N/mm(采用MTS试验机测试，条件：2500N±200N，频率20HZ，转数1000rpm)。本发明制备的复合材料，工艺简单，加工性能优良，性能满足传动带使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种以氯丁橡胶为基体，配有玄武岩短纤维、芳纶浆粕定向增强的橡胶复合材料。是一种可用增强横向刚性但不影响纵向柔性的弹性体材料，可用于橡胶传动带、输送带等橡胶制品。
背景技术
带传动是机械传动重要的传动形式之一，随着工业技术水平的不断提高以及对机械设备精密化、轻量化，功能化和个性化的要求，不断向高精度、高速度、大功率、高效率、高可靠性、长寿命、低噪声、低振动、低成本、环保和紧凑化发展，其应用范围越来越广，传动形式愈来愈多。近年来，对节能、环保、舒适、安全等方面的要求越来越高，传动带使用一般补强填充剂增强橡胶远远满足不了带的使用要求，尤其是带实现线绳化、聚酯化后，带体较软，横向刚度低，加之聚酯线绳具有热收缩特性，造成带硫化时强力层线绳位移，使成品带强力层排列不整齐，严重影响了带的使用寿命。必须提高底胶的横向刚度又不影响带纵向柔性。在底胶中加入定向短纤维无疑是解决问题的最好办法。短纤维群在带压缩层中是按横向定向，这样可明显提高带的横向刚度和承受侧面压力的作用，使载荷更均匀地分布在全部强力层上，以提高带的动态力学性能，从而弥补线绳结构带横向刚度差的不足。还可以有效地防止带外表面的早期破坏和提高耐磨性能。同时也增加了带与槽轮的抓着力和降低传动中的嗓音。在带伸长层和压缩层中同时实施短纤维复合，具有减小噪音、跳跃、振动和抖动的效应。
玄武岩纤维是一种高性能的无机硅酸盐纤维，它是将由二氧化硅、氧化铝、氧化钙和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩矿石破碎后加入池窑中，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制而成，与芳纶、超高分子聚乙烯纤维等其它高性能纤维相比，玄武岩纤维具有许多独特的优点，如力学性能较好、耐高温、可在-269～650℃范围内连续工作，耐酸碱，吸湿性低，此外还有绝缘性好、绝热隔音性能、良好的透波性等优点。硅烷偶联剂表面改性玄武岩纤维增强的聚合物基复合材料，逐步由传统的热固性和热塑性等材料向基于可再生能源和自然资源结合的，力学性能更好的，环保型、经济型、节能型的新型材料发展，以满足生产和生活的需求。邓鹏飞等对玄武岩纤维/聚丙烯复合材料力学性能进行了研究，发现随着玄武岩纤维含量的增加，PP的拉伸屈服强度由38MPa提高到89MPa，缺口冲击强度由1.43kJ●m-2提高到4.53kJ●m-2。武卫莉等以氟橡胶和硅橡胶为基体，用玄武岩短纤维作增强制备了玄武岩短纤维增强橡胶复合材料，且当玄武岩纤维用量为8份时，复合材料力学性能最佳。
芳纶浆粕是芳纶纤维的差别化产品，表面呈毛绒状微纤丛生，毛羽丰富，化学结构与芳纶纤维相同，所以它保留了芳纶纤维的绝大部分的优异性能，如：耐热性、耐磨性、尺寸稳定等性能，但由于其成型工艺独特性，使其具有一些区别于芳纶长纤维的特性。浆粕原纤的长径比提供了芳纶浆粕强度，改进了其作为弹性基体的拉伸强度、模量、耐磨性以及抗蠕变等性能。杜邦公司将短切芳纶纤维用于传送带和三角带，可以降低摩擦系数，减小生热和使用期间的噪音，增大传输能力且具有高模量、耐热老化、对传动辊磨损小的优势。缺点是芳纶纤维单独用于橡胶产品中成本较高、难取向、难分散，团聚的芳纶纤维容易成为应力集中点，大大降低产品使用寿命。孙洁等公开发明了一种芳纶浆粕纤维增强酚醛泡沫复合材料及其制备方法，所得到的酚醛泡沫材料由于引入了芳纶浆粕纤维增强体，纤维与树脂的良好结合可以使泡沫的压缩力学性能得到明显提高，同时热稳定性能也获得提升；所提出的制备方法，工艺简单，生产成本低廉，便于推广应用。目前将芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用后增强复合材料的研究未见报道。玄武岩纤维比芳纶浆粕价格便宜十几倍，在橡胶基体中易于分散和取向，将芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用后补强橡胶复合材料是前景发展较好的方向。
发明内容
本发明的目的是制备一种芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用定向增强的橡胶复合材料。本发明的特点根据芳纶浆粕难分散难取向，玄武岩短纤维相对易取向易分散易脆断的特性采取不同的工艺，并加入改性剂提高纤维与界面的结合强度。通过芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用定向增强制备的橡胶复合材料比单用芳纶浆粕屈挠性能好，成本低，比单用玄武岩短纤维的横向刚度大、模量高。通过改变芳纶浆粕和玄武岩短纤维的并用比，可以调节橡胶复合材料的横向刚度、动态疲劳性能等。该复合材料工艺简单、横向刚度大、性能优异。
本发明具体技术措施如下，其中所述原料份数除特殊说明外，均为质量份数。
本发明的技术方案为：
一种芳纶浆粕与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料，其组分和质量百分比为：氯丁橡胶100份、增塑剂1-10份、补强剂20-100份、硫化剂5-10份、玄武岩短纤维1-20份、芳纶浆粕1-20份、硅烷偶联剂1-3份、防老剂1-4份、硬脂酸1份。
进一步地，优选的是：所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯类、芳烃类、脂肪油系中的任一种。
进一步地，优选的是：所述的补强剂为N330或N550其中的一种以及具有补强作用的硅酸盐类的一种。
进一步地，优选的是：所述的硫化剂为氧化锌和氧化镁、硫脲类的一种或几种。
进一步地，优选的是：所述的芳纶浆粕和玄武岩短纤维长度为1mm～5mm，两者共混比范围为0.05～20。
进一步地，优选的是：所述的硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰基丙基三甲氧基硅烷或双[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]-四硫化物。
本发明的复合材料加工所用的混炼设备为常规的橡胶用开炼机或密炼机。
为了得到本发明的一种芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料，本发明提供了制备方法，具体的步骤为：
(1)一段混炼：将氯丁橡胶、芳纶浆粕置于密炼机中混炼2min后，加入防老剂、氧化镁和硬脂酸等混炼1min后，分别加入一半补强剂和增塑剂混炼1min，再加入剩余补强剂和增塑剂混炼1.5min，然后加入玄武岩短纤维及硅烷偶联剂混炼1-2min，其中控制混炼温度不高于100℃，进料温度55℃，转速20-50rpm，混炼时间不超过8min，排料；
(2)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料、氧化锌混炼1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。
(3)将制备好的混炼胶在开炼机薄通3-5次或者在压延机上进行取向；
(4)混炼胶在160℃温度下测试硫化曲线，硫化条件为160℃×T90下硫化制备得芳纶浆粕与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料。
本发明提出的一种芳纶浆粕与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料的制备，首先通过硅烷偶联剂改性玄武岩纤维，提高纤维与橡胶基体的相容性和分散性，同时通过芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用，改善芳纶浆粕屈挠性能，并降低成本。
本发明制备的复合材料硫化胶达到的力学性能为：玄武岩短纤维和芳纶浆粕取向沿哑铃型拉伸试样拉伸方向取向：硬度70～80(邵A)；拉伸强度(室温)10～15MPa；拉断伸长率200～300％；撕裂强度60～70kN/m；屈挠次数为1000-6000次；动刚度为3000-5000N/mm(采用MTS试验机测试，条件：2500N±200N，频率20HZ，转数1000rpm)。本发明制备的复合材料，工艺简单，加工性能优良，性能满足传动带使用要求。
附图说明
图1玄武岩短纤维激光显微镜图
图2芳纶浆粕激光显微镜图
图3玄武岩短纤维/芳纶浆粕定向增强橡胶复合材料的储能模量与应变的关系
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例和对比例的配方列于表1。
表1 实验配方
对比例1制备方法为：
1)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，加入CR混炼1min，加入防老剂、氧化镁和硬脂酸混炼1min后，分别加入一半补强剂和增塑剂混炼1min，再加入剩余补强剂和增塑剂1.5min，然后加入玄武岩短纤维及硅烷偶联剂混炼1min后清扫排胶，排胶温100℃左右。
2)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料、氧化锌混炼1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。
3)将制备好的混炼胶在开炼机薄通5次或者在压延机上进行取向；
4)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。
实施例1-3的制备方法为：
1)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，将氯丁橡胶、芳纶浆粕置于密炼机中混炼2min后，加入防老剂、氧化镁和硬脂酸混炼1min后，分别加入一半补强剂和增塑剂混炼1min，再加入剩余补强剂和增塑剂1.5min，然后加入玄武岩短纤维及硅烷偶联剂混炼1min后清扫排胶，排胶温100℃左右。
2)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料、氧化锌混炼1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。
3)将制备好的混炼胶在开炼机薄通5次或者在压延机上进行取向；
4)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。
对比例2制备方法为：
1)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，将氯丁橡胶、芳纶浆粕置于密炼机中混炼2min后，加入防老剂、氧化镁和硬脂酸混炼1min后，分别加入一半补强剂和增塑剂混炼1min，再加入剩余补强剂和增塑剂混炼1.5min后清扫排胶，排胶温度100℃左右。
2)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料、氧化锌混炼1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。
3)将制备好的混炼胶在开炼机薄通5次或者在压延机上进行取向；
4)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。
制备的热塑性硫化胶的力学性能按照ASTM规定方法测试，其中动刚度采用MTS试验机测试，条件：2500N±200N，频率20HZ，转数1000rpm，结果见表2。
表2 物理机械性能
表2是芳纶浆粕和玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料的基本物理性能，其中芳纶浆粕和玄武岩短纤维取向方向是沿着哑铃型拉伸试样拉伸方向取向。对比例1为纯玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料，实施例1、2、3芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用定向增强橡胶复合材料，对比例2是纯的芳纶浆粕定向增强橡胶复合材料。从表中可以看出实施例1-3的撕裂强度和动刚度性能明显好于对比例1，拉伸强度、拉断伸长率和耐屈挠性能明显好于对比例2。所以实施例1-3的综合性能相对来说较好。图1是纯的玄武岩短纤维激光显微镜图，图中可以看出玄武岩短纤维呈棒状，表面光滑，部分有破损。图2是芳纶浆粕激光显微镜图，从图中可以看出，芳纶浆粕表面呈毛绒状微纤丛生，毛羽丰富。而图3是玄武岩短纤维/芳纶浆粕定向增强橡胶复合材料的储能模量与应变的关系，从图中可以看出，加入芳纶浆粕后，复合材料体系的储能模量逐渐增大，且并用比为10/10时储能模量在小应变时就有大幅度的提高，出现了明显的Payne效应，随着应变的增加，储能模量随着应变的增加衰减越快，这里与表2中的动刚度突然增大是一致的，这说明当玄武岩纤维与芳纶浆粕并用比为10/10时，复合材料体系的网络结构开始完善。通过以上数据可以说明，通过芳纶浆粕与玄武岩短纤维并用定向增强的橡胶复合材料，改变并用比，可以取长补短，制备综合性能优异的复合材料。
Claims (10)
1.一种芳纶浆粕与玄武岩短纤维定向增强的橡胶复合材料，其特征在于：
其组分和质量百分比为：
2.如权利要求1所述的橡胶复合材料，其特征在于：所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯类、芳烃类、脂肪油系中的任一种。
3.如权利要求1所述的橡胶复合材料，其特征在于：所述的补强剂为N330或N550其中的一种以及具有补强作用的硅酸盐类的一种。
4.如权利要求1所述的橡胶复合材料，其特征在于：所述的硫化剂为氧化锌、氧化镁、硫脲类的一种或几种。
5.如权利要求1所述的橡胶复合材料，其特征在于：所述的玄武岩短纤维长度为1mm～5mm，所述的芳纶浆粕长度为1mm～5mm，玄武岩短纤维与芳纶浆粕两者共混比范围为0。05～20。
6.如权利要求1所述的橡胶复合材料，其特征在于：硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰基丙基三甲氧基硅烷或双[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]-四硫化物。
7.如权利要求1所述的橡胶复合材料，其特征在于：防老剂为对苯二胺类防老剂和喹啉类防老剂。
8.制备如权利要求1-7任一所述橡胶复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)一段混炼：将氯丁橡胶、芳纶浆粕置于密炼机中混炼2min后，加入防老剂、氧化镁和硬脂酸等混炼1min后，分别加入一半补强剂和增塑剂混炼1min，再加入剩余补强剂和增塑剂混炼1.5min，然后加入玄武岩短纤维及硅烷偶联剂混炼1-2min，其中控制混炼温度不高于100℃，进料温度55℃，转速20-50rpm，混炼时间不超过8min，排料；
(2)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料和氧化锌和硬脂酸1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。
(3)将制备好的混炼胶在开炼机薄通3-5次或者在压延机上进行取向；
(4)混炼胶在160℃温度下测试硫化曲线，硫化条件为160℃×T90下硫化制备得玄武岩短纤维与芳纶浆粕定向增强橡胶复合材料。
9.如权利要求1-7任一所述复合材料在对横向刚性有要求的橡胶制品中的应用。
10.基于如权利要求9所述应用的橡胶传动带制品。
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