丁腈橡胶/石墨/PVC复合材料耐磨性能的研究

张 涛，成振宇

丁腈橡胶/石墨/PVC复合材料耐磨性能的研究

张 涛，成振宇

（太原工业学院材料与工程系，山西 太原 030008）

通过添加不同质量份数的PVC制备PVC/石墨/丁腈橡胶复合材料，考察复合材料的力学性能和耐磨性能。结果表明，随着PVC添加量的增多，NBR/石墨复合材料的力学性能不断提高，其摩擦因数和阿克隆磨耗均不断降低。复合材料摩擦表面的SEM照片显示，改性石墨与丁腈橡胶基体的相容性较好。

PVC；复配改性；石墨；耐磨性能

随着橡胶产品的应用日益广泛，对橡胶材料的力学性能和耐磨性能的要求也越来越高［1-2］。丁腈橡胶（NBR）是一种极性橡胶，在通用胶中，其耐油性能较好，大量用于制作油封［3］。降低NBR的摩擦系数可有效提高其耐磨性能，可以通过添加固体润滑剂的方法来达到这一目的［4-5］。石墨作为最常见的一种固体润滑剂，属于片层结构，具有自润滑性，可以起到减弱摩擦的作用［6］，为提高其与NBR的相容性，可以采用表面改性剂对石墨进行处理［7］。而为进一步提高NBR的耐磨性，同时添加一种耐磨性较好的有机聚合物对NBR/石墨复合材料进行耐磨改性的研究较少。

本文采用添加不同含量的PVC制备NBR/石墨复合材料，通过比较NBR/石墨复合材料的力学性能、阿克隆磨耗和复合材料摩擦表面的微观形貌，考察PVC添加量对NBR/石墨复合材料耐磨性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原材料

天然石墨，聚氯乙烯（PVC），丁腈橡胶NBR，丙烯腈（含量33%），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），硅烷偶联剂（KH570）。

1.2 试验方法

1.2.1 基本配方

本实验的基本配方见表1。

表1 丁腈橡胶（NBR）的基本配方

1.2.2 有机改性石墨的制备

称取一定质量的石墨和一定体积的无水乙醇，同时放入500mL的三口瓶中均匀分散，然后将三口烧瓶放置于80℃的恒温水浴中，装上冷凝回流装置。首先将有机改性剂KH570加入三口烧瓶中，待反应12h后，添加第二有机改性剂CTAB。其中改性剂KH570和CTAB的质量比为1∶1。

1.2.3 PVC/石墨/NBR复合材料的制备

将丁腈橡胶在双辊开炼机上进行塑炼，随后分别按顺序加入PVC、石墨及其他配合剂一起混炼，待混炼均匀后下辊，即得到丁腈橡胶/石墨/PVC混合物。在室温条件下放置3h后，用橡胶硫化测试仪测试该混合物的硫化曲线，得出正硫化时间t90，然后在平板硫化机上进行硫化，最终得到丁腈橡胶/石墨/PVC复合材料。其中硫化条件为：160℃，15MPa，t90。

1.3 测试分析

红外光谱（FTIR）分析：采用Tensor-27型红外光谱分析仪测试石墨改性前后的红外光谱图。

X射线衍射（XRD）分析：采用TD-3700型X射线衍射仪表征石墨改性前后的X射线衍射（XRD）图谱。测试条件：Cu靶，λ=0.154nm；管电压：30kV，管电流：20mA；扫描角度范围：10°～30°；扫描方式：连续扫描。

力学性能测试：按GB/T 531-1999在LX-A型橡胶硬度计上测试该复合材料的邵氏A型硬度。拉伸性能和撕裂强度分别按GB/T 528-1998和GB/ T 529-1999在TCS-2000型拉力试验机上进行测试，拉伸速度为500mm·min-1。

摩擦性能：采用MMW-1型万能摩擦磨损试验机测试复合材料的摩擦因数。测试条件为：试验载荷10N，转速200r·min-1，待仪表上的摩擦力数值稳定后读数。采用GT-7012-A型阿克隆磨耗仪测试复合材料的阿克隆磨耗。具体步骤为：先预磨15min，将预磨后的试样取下，称重；然后继续磨3417r，取下再称重；最后计算出复合材料的阿克隆磨耗量。

电子扫描显微镜（SEM）分析： 采用KYKYEM3800 型电子扫描显微镜仪观察复合材料的磨损表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 石墨的红外光谱分析

图1为改性前后石墨的红外光谱图。采用KH570/CTAB复配改性剂改性的石墨在3326cm-1处出现了-Si-O-OH中的羟基吸收峰，在2937 cm-1和2842cm-1附近均出现了亚甲基（-CH2-）和甲基（-CH3）的C-H伸缩振动吸收峰。说明经过改性后，石墨表面接枝上了有机基团，使得石墨的亲油性得到提高，将其与丁腈橡胶混合的过程中，有利于石墨在丁腈橡胶基体中分散，改善了其与丁腈橡胶分子间、丁腈橡胶-PVC间及石墨-PVC间的界面相容性。

图1 石墨改性前后的红外表征图

2.2 丁腈橡胶/石墨/PVC复合材料的力学性能分析

2.2.1 PVC填充量对未改性NBR/石墨复合材料力学性能的影响

表1为PVC填充未改性石墨制备NBR/石墨复合材料的力学性能测试结果。由表1可知，随着PVC添加量的增加，未改性石墨/NBR复合材料的力学性能得到不断改善。从表1中可以看出，当PVC添加量为3份时，所制备的复合材料的拉伸强度、撕裂强度、断裂伸长率均达到最大。当PVC含量超过3份时，NBR/石墨/PVC复合材料的力学性能变化不明显。

2.2.2 PVC填充量对改性NBR/石墨复合材料力学性能的影响

表2是PVC填充改性石墨制备NBR/石墨复合材料的力学性能测试结果。由表2可知，随着PVC添加量的增加，NBR/石墨/PVC复合材料的拉伸强度、撕裂强度、100%定伸强度、300%定伸强度、断裂伸长率、硬度和永久变形都不断提高。但是当PVC的用量大于3份时，NBR/石墨/PVC复合材料的断裂伸长率和拉伸强度有所下降；而撕裂强度和邵氏硬度等基本保持不变。

表1 PVC填充未改性石墨制备NBR/石墨复合材料的力学性能

表2 PVC填充改性石墨制备NBR/石墨复合材料的力学性能

综合表1和表2的数据分析可知，经过有机改性后的石墨，NBR/石墨/PVC复合材料的力学性能相对比较优异，并且随着PVC添加量的增加，NBR/石墨/PVC复合材料力学性能的提高幅度更大。说明经过有机改性后，石墨与丁腈橡胶和PVC之间的相容性得到改善。

2.3 PVC/石墨/丁腈橡胶复合材料的耐磨性能分析

表3是通过添加不同含量的PVC制备NBR/石墨复合材料的摩擦系数。图2是NBR/石墨复合材料的阿克隆磨耗随着PVC添加量增加的变化趋势，其中石墨的添加量均为10份。

由表3可知，随着PVC添加量的增加，NBR/石墨复合材料的摩擦系数不断降低，与未添加PVC改性制备的NBR/石墨复合材料的摩擦系数相比下降了25%。图2表明，随着PVC添加量的增加，NBR/石墨复合材料的阿克隆磨耗也不断下降。

表3 PVC填充改性石墨制备的NBR/石墨复合材料的摩擦系数

图2 PVC填充改性石墨制备的NBR/石墨复合材料的阿克隆磨耗

我们从橡胶的摩擦特性可知，橡胶与固体物质之间的摩擦阻力可以看作是由两部分组成的，如公式（1）：

即摩擦阻力等于摩擦表面分子相互接触产生的粘附力Fa和由于压入的微凸体使橡胶产生的滞后阻力Fh之和［8］。因此，硫化胶的摩擦因数取决于硫化胶的变形特性及硫化胶与对磨件之间的接触面积、界面剪切强度等因素。实际的测试过程中，随着PVC用量的增加，一是因为硫化胶的硬度不断提高，接触面积相对减少，产生的粘附力Fa就小，这对减小摩擦是有利的；二是因为对磨面间由于PVC的存在，也起到较大的减磨作用，硫化胶与对磨件之间的界面剪切强度越小，摩擦因数也就越小。

2.4 石墨/丁腈橡胶复合材料摩擦表面SEM分析

图3 为分别添加 10份未改性和改性石墨制备的NBR/石墨/PVC复合材料的摩擦磨损表面SEM照片。由图 3可以看出，添加未改性石墨所制备的复合材料的磨损表面有明显的脱层、翘起和鱼鳞纹存在，磨损情况较为严重；而添加改性石墨所制备的复合材料，磨损表面比较光滑， 翘起和鱼鳞纹明显减少。这证明了添加改性石墨所制备的复合材料有较低的摩擦系数，抗磨损能力较好。

图3 石墨/NBR复合材料摩擦表面的SEM照片

3 结论

1）石墨的红外光谱图分析表明，经过有机改性，石墨粉体颗粒成功地被有机改性剂KH570和CTAB所包覆。

2）在本研究范围内，当PVC添加量为5份时，NBR/石墨/PVC复合材料的力学性能最好，摩擦因数和阿克隆磨耗也达到最低。

3）复合材料磨损表面的SEM照片显示，改性石墨与丁腈橡胶的相容性得到改善，有利于提高复合材料的耐磨性能。

［1]杨汉祥，梁玉蓉，谭英杰，等. 石墨/二硫化钼/丁腈橡胶复合材料的性能［J］. 合成橡胶工业，2013，36（3）：212-215.

［2]吴新国，解晓花，刘承刚. 低摩擦丁腈橡胶复合材料配合及摩擦性能研究［J］. 特种橡胶制品，2011，32（1）：40-47.

［3]叶孟蜍，李祖彬. 汽车油封的研究进展［J］. 特种橡胶制品，2010，31（6）：71-76.

［4]张建强，冯辉霞，邱建辉.二硫化钼粉体的表面改性研究［J］. 中国粉体技术，2009，15（4）：15-18.

［5]杨建.石墨填充橡胶材料的性能研究及纳米复合材料的制备［D］. 北京：北京化工大学，2008.

［6]Wang L L， Zhang L Q， Tian M. Mechanical and tribological properties of acrylonitrile-butadiene rubber filled with graphite and carbon black［J］. Materials & Design， 2012（39）：450-457.

［7]史俊红.石墨增强橡胶复合材料的制备、结构及性能研究［D］. 北京：北京化工大学，2008.

［8]杨建. 二硫化钼/橡胶复合材料的制备、结构与性能研究［D］.北京：北京化工大学，2005.

Study on Wear Resistance of NBR/Graphite/PVC Composites

ZHANG Tao， CHENG Zhen-yu
（Department of Materials Science and Engineering， Taiyuan Institute of Technology， Taiyuan 030008， China）

The PVC/Graphite/NBR composites was prepared with different quality copies of PVC， and the physical mechanical properties and wear resistance of composite materials were studied. The results showed that physical mechanical properties of PVC/ graphite/NBR composites was improved continuously， but the friction coefficient and Akron abrasion were all decreased with the increase of the PVC amount. The composites friction surface SEM photographs showed that the modified graphite and nitrile rubber matrix had good compatibility.

polyvinyl chloride； compound modification； graphite； wear resistance

TQ 333.6

A

1671-9905（2016）06-0023-04

张涛（1985-），男，河南商丘人，助教，主要从事橡胶基复合材料的研究工作，电话： 13753473395，E-mail： zhangtao8503@163.com

2016-04-14