抗穿刺丁腈橡胶/纤维复合材料的制备与性能

宋立,王鑫,赵颂,王磊,胡伟,秦万宝,赵雄燕,3

(1.河北科技大学 材料科学与工程学院,河北 石家庄 050018；2.河北省产品质量监督检验研究院, 河北 石家庄 050091；3.河北省航空轻质复合材料工程实验室,河北 石家庄 050018)

丁腈橡胶(NBR)因分子中带有独特的氰基[1],使其耐油性、耐磨性、耐热性等性能优于其他品种的橡胶[2-4]。因此,NBR被人类广泛的应用在生产和生活的各个领域[5-6]。随着科技的发展,人类对材料的要求越来越高,因此具有更高性能的、更能符合人类发展需求的高性能复合材料受到科研人员的广泛重视[7-9]。丁腈橡胶/纤维复合材料相比于单纯的丁腈橡胶,其综合力学性能十分优异,防穿刺性能强,是制备高性能抗穿刺材料的理想选择。本实验探索了纤维布种类、纤维布复合方式和粘合剂组成配方对丁腈橡胶/纤维复合材料的力学性能与穿刺性能的影响,为今后制备高性能防穿刺橡胶复合材料提供一定的技术借鉴。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

丁腈橡胶6280、环氧树脂E-51、低分子量聚酰胺650、双氰胺、疏芳纶纤维布(克重240 g/m2)、密芳纶纤维布(克重400 g/m2)、挂浆聚酯纤维布(克重280 g/m2)、厚聚酯纤维布(克重1 240 g/m2)均为工业品。

XSK-160开放式塑炼机；45 t平板硫化机；ETM-104C万能拉力机；MDR-2000电脑型无转子硫化仪。

1.2 实验方法

1.2.1 复合材料的制备 利用平板硫化机对橡胶混炼胶/纤维布复合材料进行硫化,制得橡胶/纤维复合材料。取适量混炼胶,分别与疏、密芳纶纤维布、挂浆聚酯纤维布、厚聚酯纤维布进行双面单层复合(两面胶,中间夹一层纤维布),和单侧单层复合(一面是纤维布,一面是胶)。

1.2.2 性能检测 按国家标准GB/T 528—1998、GB/T 529—1999、GB/T 529—1999和GB/T 20991—2007对复合材料的拉伸性能、撕裂性能、硬度和穿刺力进行性能检测。

2 结果与讨论

2.1 纤维布种类对复合材料力学性能的影响

2.1.1 拉伸性能 纯丁腈橡胶及其与不同纤维布组成的复合材料的拉伸性能,见图1。

图1 丁腈橡胶及复合材料的拉伸强度Fig.1 Tensile strength of nitrile rubber and its composites

由图1可知,密芳纶布和厚聚酯布对橡胶基体有明显的增强效果,使复合材料的拉伸强度显著提高；而疏芳纶和挂浆聚酯与丁腈橡胶组成的复合材料的拉伸强度均低于纯的丁腈橡胶,无明显的增强效果。这主要是由于密芳纶布和厚聚酯纤维布的强度均高于纯丁腈橡胶,作为增强材料复合到丁腈橡胶中可承担复合材料承受的主要拉力,从而起到增强的效果。

2.1.2 断裂伸长率 纯丁腈橡胶及其与不同纤维布组成的复合材料的断裂伸长率,见表1。

表1 丁腈橡胶及复合材料的扯断伸长率Table 1 Elongation at break of nitrile rubber and its composites

由表1可知,复合材料的断裂伸长率均低于纯的橡胶基体。这主要是因为纤维是弹性较差的脆性材料,与橡胶复合后,限制了橡胶基体分子链的运动,从而导致复合材料的扯断伸长率下降。而且纤维布的面密度越大,形变越困难,这也是厚聚酯复合材料断裂伸长率最低的原因。

2.1.3 撕裂性能 纯丁腈橡胶及其与不同纤维布构成的复合材料的撕裂性能,见图2。

图2 丁腈橡胶及复合材料的撕裂强度Fig.2 Tear strength of nitrile rubber and its composites

由图2可知,与纯丁腈橡胶及其他复合材料相比,厚聚酯布对基体改性效果最为突出,撕裂强度提高近3倍,这是因为厚聚酯纤维布的面密度大、强度高且与基体橡胶的相容性较好,作为增强基体材料复合到丁腈橡胶中,可起到显著的增强效果。

2.1.4 硬度 纯丁腈橡胶及其与不同纤维布组成的复合材料的硬度,见图3。

图3 丁腈橡胶及复合材料的硬度Fig.3 Hardness of nitrile rubber and its composites

由图3可知,纤维布对基体硬度有较大影响,这是因为纤维布的存在一方面限制了橡胶基体分子链的运动从而导致复合材料的弹性降低,硬度增大；另一方面,由于纤维占据一定体积,会使橡胶基体的体积比重降低,从而也会导致硬度提高。

2.2 纤维布的种类对复合材料抗穿刺性能的影响

由图4可知,制备的4种纤维布复合材料中,厚聚酯纤维布的穿刺力最大。这主要是由于复合材料的防穿刺性能主要是由增强材料提供,厚聚酯布料的面密度大,布料密实其防穿刺能力也相应提高。

图4 不同种类纤维布复合材料的最大穿刺力Fig.4 Maximum puncture forces of different types of fiber cloth composites

2.3 粘合剂组成对复合材料抗穿刺性能的影响

为了进一步提高复合材料的抗穿刺性能,制备了4种环氧树脂基粘合剂(见表2),用于提高厚聚酯纤维布与橡胶之间的粘结性能,从而达到提高抗穿刺的效果。

表2 环氧树脂基粘合剂配方组成(份)Table 2 Epoxy resin adhesive formulation

图5 不同粘合剂配方下复合材料的最大穿刺力Fig.5 Maximum puncture force of composites with different binder formulations

由图5可知,使用粘合剂后,厚聚酯基复合材料的抗穿刺性能均有较大的提高,其中4号粘合剂配方对应的复合材料的抗穿刺性能提高的更为明显,其最大穿刺力达到了1.357 kN。这主要是由于低分子量聚酰胺作为固化剂时,会改善固化后环氧树脂的韧性,一般来说加入的聚酰胺越多,复合材料的韧性越大,故其抗穿刺性能越好。

3 结论

研究了不同种类纤维布和粘合剂配方对丁腈橡胶/纤维复合材料力学性能及防穿刺性能的影响,通过性能测试与分析得出如下结论：

(1)纤维布种类对丁腈橡胶/纤维复合材料的性能有较大的影响,其中厚聚酯纤维布改性效果最佳,可显著提高复合材料的拉伸强度、撕裂强度和抗穿刺性能。

(2)在橡胶和厚聚酯复合时使用粘合剂,可大幅度提高复合材料的抗穿刺性能,当采用低分子量聚酰胺650作为环氧树脂E-52固化剂时,复合材料的最大穿刺力可达1.357 kN。