氯丁橡胶/碳纤维复合材料相容性的研究

姬燕飞 张国宁 原晓城 王红梅

氯丁橡胶/碳纤维复合材料相容性的研究

姬燕飞 张国宁 原晓城 王红梅

（天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）

本文主要是对碳纤维增强氯丁橡胶复合材料相容机理的研究，解决它们的相容性。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膜，干燥后再加入不同的相容剂，如KH-550、Si-69等，浸泡处理以促进相容性。用碳纤维增强氯丁橡胶，通过测试邵A硬度、拉伸强度、拉断伸长率确定最佳相容剂及相容剂的含量。通过红外光谱和扫描电镜（SEM）分析推断碳纤维与氯丁橡胶交联结构和相容性，确定最佳配方和工艺参数，生产性能优异的氯丁橡胶/碳纤维复合材料。

氯丁橡胶；碳纤维；橡胶配方；相容性

1 前言

随着高性能和高功能化材料的迅速发展，碳纤维及氯丁橡胶进入更广阔的应用领域，单独的氯丁橡胶材料已不能满足人们生产、生活中的使用要求。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[1]。纤维补强橡胶复合材料优异性能备受国内外专家学者及企业的关注，由于纤维与橡胶的相容性较差，所以需要对纤维表面进行处理后共混实现增强碳纤维与氯丁橡胶二者界面间的相容性，偶联剂KH-550可以良好改善无机填料与橡胶二者界面间的相容性[2]。Si-69偶联剂与填料/氯丁橡胶的反应机理如下。

单纯的某一种橡胶很难同时满足使用多项性能指标要求，因此需要根据胶料特点和指标要求选择主体胶种，设计配合剂种类和用量，经过试验验证比对指标确定生产配方[3]。

2 试验部分

2.1 主要原材料

SN23，山纳合成橡胶有限责任公司；偶联剂Si-69，南京晶宁偶联剂有限公司；偶联剂KH-550，南京曙光化工厂产品；活性氧化镁，上海敦煌化工厂；BIPB，阿克苏诺贝尔产品；分析纯丙酮，郑州恒力奥科工贸有限公司。其他助剂均为橡胶工业常用工业级材料。

2.2 仪器与设备

PL203电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；S-4300扫描电子显微镜，日本日立株式会社；平板硫化机，青岛汇才机械设备有限公司；100KN电子拉力机，长春科新科技有限公司；热氧老化箱，江都明珠机械设备有限公司；邵尔硬度计，上海陆川量具有限公司；0.63兆牛半自动压力成型机，上海西玛伟力橡塑机械有限公司；SK-160B开炼机，青岛第三橡胶机械厂。

2.3 试验配方及性能测试

2.3.1橡胶配方性能测试

硫化胶硬度按照GB/T 531.1-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》执行。

橡胶强伸性能按照GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第一部分：邵氏硬度计法(邵尔硬度)》执行。

热氧老化按照GB/T24135-2009《橡胶或塑料涂覆织物加速老化试验》进行测试。

3 结果与讨论

3.1 试验基础配方

设计的试验基础配方如下所示：SN23 100.0，活性氧化镁4.0，氧化锌10.0，促DM1.0，促M1.0，SA1.5，石蜡0.8，防RD1.0，硫磺1.0，白炭黑20，DCP2.0，NA-22 0.1，碳纤维(CF)变量，偶联剂变量。

样品制备工艺如下：

生胶包辊→促进剂→防老剂→白炭黑→补强填充剂→硫化剂→下片。

将氯丁胶塑炼薄通10遍，停放24小时，碳纤维用丙酮浸泡4小时后捞出晾干备用。胶料投入开炼机包辊均匀后将橡胶配合剂依次投入辊中混炼，左右割刀3次，待所有配合剂均匀混入橡胶，下片称重，薄通5次（3包2卷），下片，停放24h后使用硫化机制备强伸性能试样。不作特殊说明的情况下，本实验强伸试片硫化条件151℃×35min。

碳纤维填充质量变量如下表1所示。

表1 变量表

初始性能测试结果见下表2：

表2 性能测试表

从上表2看出，氯丁/CF补强拉伸强度性能测试结果4#配方性能最优。

将试片放入热氧老化箱进行100℃×72小时进行老化试验，取样后测试数据见表3。

表3 100℃×72小时热氧老化性能测试表

15phr碳纤维增强CR的橡胶试样老化前后的拉伸强度和扯断伸长率都是很好，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15phr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据不均匀，混合效果更好；而当CF的量大于15phr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，碳纤维表面没有完全浸润，表面与橡胶相的结合面积不足，在橡胶基体中形成“海-岛”结构，导致拉伸强度下降。值得注意的是当CF的量大于15phr份时，其扯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。因此对选择4#配方进一步硫化体系优化性能。

在确定了最佳的碳纤维用量后，偶联剂可以在无机物与有机物之界面“架桥”，改善混炼胶的物理性能、电性能、热性能、光、力学性能。所以本次试验着重讨论不同偶联剂对碳纤维与氯丁橡胶复合材料力学性能及相容性的差异，从而确定合适的偶联剂种类及用量。用KH-550和Si-69对碳纤维进行表面处理，然后将经过偶联剂处理与未经过偶联剂处理的复合材料试样经测试、对比，选取合适的偶联剂及最佳用量。

SN23 100.0，活性氧化镁4.0，氧化锌10.0，促DM1.0，促M1.0，SA1.5，石蜡0.8，防RD1.0，硫磺1.0，白炭黑20，DCP 2.0，NA-22 0.1，碳纤维(CF)15.0，偶联剂变量如下表4所示。

表4 偶联剂变量表

优化调整配方初始测试结果见下表5：

表5 优化调整配方初始性能测试表

将试片放入热氧老化箱进行100℃×72小时进行老化试验，取样后测试数据见表6。

表6 优化调整配方100℃×72小时热氧老化性能测试表

从上表看在同等条件下，当选用KH550/ Si-69为2.0/1.0时，硫化胶的拉伸强度、拉断伸长率最大；而邵尔硬度最小，说明选用此比例时，偶联效果最好，具有协同作用。当KH-550或Si-69单独使用时，复合材料的性能不如使用两种材料并用。并用后硫化胶的邵尔A型硬度、拉伸强度、拉断伸长率最好。

根据以上测试结果，12#配方可以得出碳纤维增强氯丁橡胶的效果最佳，选用其为最终生产配方。

3.2 氯丁橡胶/碳纤维复合材料的扫描电镜分析

图2 Si-69/CF

图3 KH-550/CF

图4 KH-550 /Si-69 CF

图5 未加偶联剂CF

可以观察到图2 Si-69/碳纤维填充的试样，排列比较规整，碳纤维在橡胶相中分布均匀；图3 KH-550/碳纤维填充的试样，碳纤维在橡胶相分布相对均匀；图4 KH-550 /Si-69碳纤维填充且排列整齐都向同一个方向，补强后氯丁橡胶/碳纤维相界面接触良好，基本无缺陷点出现，体现出混炼胶力学性优于对比样；图5为未加偶联剂的碳纤维补强混炼胶扫描电镜图，能观察到其碳纤维与橡胶接触面不紧密，排列杂乱无序，纤维与橡胶的相界面接触也不好，相容性较差。

从以上的4个图中，我们可以发现当CF与偶联剂共同作用填充时把试样在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，排列有序，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。

4 结论

（1）氯丁橡胶/碳纤维复合材料加入相容剂的力学性能较未加入相容剂的力学性能高；

（2）通过扫描电镜（SEM）分析得出和KH-550/Si-69并用作为相容剂的氯丁橡胶/碳纤维复合材料相界面结合较好。

[1]李涛,陈蔚,成理,谭纪文.碳纤维复合材料低成本多用途发展展望[J].科技资讯,2009(22):68-69+71.

[2]武卫莉,丛松岩.KH 550改性硅藻土/白炭黑体系填充氟橡胶的制备与性能[J].合成橡胶工业,2018,41(04):299-303.

[3]杨殿荣，辛振祥.《现代橡胶配方设计》[M] 北京化学工业出版社 2002