丁腈橡膠/石墨/PVC復(fù)合材料耐磨性能的研究

張 濤，成振宇

丁腈橡膠/石墨/PVC復(fù)合材料耐磨性能的研究

張 濤，成振宇

（太原工業(yè)學(xué)院材料與工程系，山西 太原 030008）

通過添加不同質(zhì)量份數(shù)的PVC制備PVC/石墨/丁腈橡膠復(fù)合材料，考察復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐磨性能。結(jié)果表明，隨著PVC添加量的增多，NBR/石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能不斷提高，其摩擦因數(shù)和阿克隆磨耗均不斷降低。復(fù)合材料摩擦表面的SEM照片顯示，改性石墨與丁腈橡膠基體的相容性較好。

PVC；復(fù)配改性；石墨；耐磨性能

隨著橡膠產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，對橡膠材料的力學(xué)性能和耐磨性能的要求也越來越高［1-2］。丁腈橡膠（NBR）是一種極性橡膠，在通用膠中，其耐油性能較好，大量用于制作油封［3］。降低NBR的摩擦系數(shù)可有效提高其耐磨性能，可以通過添加固體潤滑劑的方法來達(dá)到這一目的［4-5］。石墨作為最常見的一種固體潤滑劑，屬于片層結(jié)構(gòu)，具有自潤滑性，可以起到減弱摩擦的作用［6］，為提高其與NBR的相容性，可以采用表面改性劑對石墨進(jìn)行處理［7］。而為進(jìn)一步提高NBR的耐磨性，同時添加一種耐磨性較好的有機(jī)聚合物對NBR/石墨復(fù)合材料進(jìn)行耐磨改性的研究較少。

本文采用添加不同含量的PVC制備NBR/石墨復(fù)合材料，通過比較NBR/石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能、阿克隆磨耗和復(fù)合材料摩擦表面的微觀形貌，考察PVC添加量對NBR/石墨復(fù)合材料耐磨性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

天然石墨，聚氯乙烯（PVC），丁腈橡膠NBR，丙烯腈（含量33%），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），硅烷偶聯(lián)劑（KH570）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 基本配方

本實(shí)驗(yàn)的基本配方見表1。

表1 丁腈橡膠（NBR）的基本配方

1.2.2 有機(jī)改性石墨的制備

稱取一定質(zhì)量的石墨和一定體積的無水乙醇，同時放入500mL的三口瓶中均勻分散，然后將三口燒瓶放置于80℃的恒溫水浴中，裝上冷凝回流裝置。首先將有機(jī)改性劑KH570加入三口燒瓶中，待反應(yīng)12h后，添加第二有機(jī)改性劑CTAB。其中改性劑KH570和CTAB的質(zhì)量比為1∶1。

1.2.3 PVC/石墨/NBR復(fù)合材料的制備

將丁腈橡膠在雙輥開煉機(jī)上進(jìn)行塑煉，隨后分別按順序加入PVC、石墨及其他配合劑一起混煉，待混煉均勻后下輥，即得到丁腈橡膠/石墨/PVC混合物。在室溫條件下放置3h后，用橡膠硫化測試儀測試該混合物的硫化曲線，得出正硫化時間t90，然后在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化，最終得到丁腈橡膠/石墨/PVC復(fù)合材料。其中硫化條件為：160℃，15MPa，t90。

1.3 測試分析

紅外光譜（FTIR）分析：采用Tensor-27型紅外光譜分析儀測試石墨改性前后的紅外光譜圖。

X射線衍射（XRD）分析：采用TD-3700型X射線衍射儀表征石墨改性前后的X射線衍射（XRD）圖譜。測試條件：Cu靶，λ=0.154nm；管電壓：30kV，管電流：20mA；掃描角度范圍：10°～30°；掃描方式：連續(xù)掃描。

力學(xué)性能測試：按GB/T 531-1999在LX-A型橡膠硬度計上測試該復(fù)合材料的邵氏A型硬度。拉伸性能和撕裂強(qiáng)度分別按GB/T 528-1998和GB/ T 529-1999在TCS-2000型拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試，拉伸速度為500mm·min-1。

摩擦性能：采用MMW-1型萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試復(fù)合材料的摩擦因數(shù)。測試條件為：試驗(yàn)載荷10N，轉(zhuǎn)速200r·min-1，待儀表上的摩擦力數(shù)值穩(wěn)定后讀數(shù)。采用GT-7012-A型阿克隆磨耗儀測試復(fù)合材料的阿克隆磨耗。具體步驟為：先預(yù)磨15min，將預(yù)磨后的試樣取下，稱重；然后繼續(xù)磨3417r，取下再稱重；最后計算出復(fù)合材料的阿克隆磨耗量。

電子掃描顯微鏡（SEM）分析： 采用KYKYEM3800 型電子掃描顯微鏡儀觀察復(fù)合材料的磨損表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨的紅外光譜分析

圖1為改性前后石墨的紅外光譜圖。采用KH570/CTAB復(fù)配改性劑改性的石墨在3326cm-1處出現(xiàn)了-Si-O-OH中的羥基吸收峰，在2937 cm-1和2842cm-1附近均出現(xiàn)了亞甲基（-CH2-）和甲基（-CH3）的C-H伸縮振動吸收峰。說明經(jīng)過改性后，石墨表面接枝上了有機(jī)基團(tuán)，使得石墨的親油性得到提高，將其與丁腈橡膠混合的過程中，有利于石墨在丁腈橡膠基體中分散，改善了其與丁腈橡膠分子間、丁腈橡膠-PVC間及石墨-PVC間的界面相容性。

圖1 石墨改性前后的紅外表征圖

2.2 丁腈橡膠/石墨/PVC復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

2.2.1 PVC填充量對未改性NBR/石墨復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表1為PVC填充未改性石墨制備NBR/石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表1可知，隨著PVC添加量的增加，未改性石墨/NBR復(fù)合材料的力學(xué)性能得到不斷改善。從表1中可以看出，當(dāng)PVC添加量為3份時，所制備的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、斷裂伸長率均達(dá)到最大。當(dāng)PVC含量超過3份時，NBR/石墨/PVC復(fù)合材料的力學(xué)性能變化不明顯。

2.2.2 PVC填充量對改性NBR/石墨復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表2是PVC填充改性石墨制備NBR/石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表2可知，隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨/PVC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、100%定伸強(qiáng)度、300%定伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、硬度和永久變形都不斷提高。但是當(dāng)PVC的用量大于3份時，NBR/石墨/PVC復(fù)合材料的斷裂伸長率和拉伸強(qiáng)度有所下降；而撕裂強(qiáng)度和邵氏硬度等基本保持不變。

表1 PVC填充未改性石墨制備NBR/石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能

表2 PVC填充改性石墨制備NBR/石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能

綜合表1和表2的數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)過有機(jī)改性后的石墨，NBR/石墨/PVC復(fù)合材料的力學(xué)性能相對比較優(yōu)異，并且隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨/PVC復(fù)合材料力學(xué)性能的提高幅度更大。說明經(jīng)過有機(jī)改性后，石墨與丁腈橡膠和PVC之間的相容性得到改善。

2.3 PVC/石墨/丁腈橡膠復(fù)合材料的耐磨性能分析

表3是通過添加不同含量的PVC制備NBR/石墨復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。圖2是NBR/石墨復(fù)合材料的阿克隆磨耗隨著PVC添加量增加的變化趨勢，其中石墨的添加量均為10份。

由表3可知，隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨復(fù)合材料的摩擦系數(shù)不斷降低，與未添加PVC改性制備的NBR/石墨復(fù)合材料的摩擦系數(shù)相比下降了25%。圖2表明，隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨復(fù)合材料的阿克隆磨耗也不斷下降。

表3 PVC填充改性石墨制備的NBR/石墨復(fù)合材料的摩擦系數(shù)

圖2 PVC填充改性石墨制備的NBR/石墨復(fù)合材料的阿克隆磨耗

我們從橡膠的摩擦特性可知，橡膠與固體物質(zhì)之間的摩擦阻力可以看作是由兩部分組成的，如公式（1）：

即摩擦阻力等于摩擦表面分子相互接觸產(chǎn)生的粘附力Fa和由于壓入的微凸體使橡膠產(chǎn)生的滯后阻力Fh之和［8］。因此，硫化膠的摩擦因數(shù)取決于硫化膠的變形特性及硫化膠與對磨件之間的接觸面積、界面剪切強(qiáng)度等因素。實(shí)際的測試過程中，隨著PVC用量的增加，一是因?yàn)榱蚧z的硬度不斷提高，接觸面積相對減少，產(chǎn)生的粘附力Fa就小，這對減小摩擦是有利的；二是因?yàn)閷δッ骈g由于PVC的存在，也起到較大的減磨作用，硫化膠與對磨件之間的界面剪切強(qiáng)度越小，摩擦因數(shù)也就越小。

2.4 石墨/丁腈橡膠復(fù)合材料摩擦表面SEM分析

圖3 為分別添加 10份未改性和改性石墨制備的NBR/石墨/PVC復(fù)合材料的摩擦磨損表面SEM照片。由圖 3可以看出，添加未改性石墨所制備的復(fù)合材料的磨損表面有明顯的脫層、翹起和魚鱗紋存在，磨損情況較為嚴(yán)重；而添加改性石墨所制備的復(fù)合材料，磨損表面比較光滑， 翹起和魚鱗紋明顯減少。這證明了添加改性石墨所制備的復(fù)合材料有較低的摩擦系數(shù)，抗磨損能力較好。

圖3 石墨/NBR復(fù)合材料摩擦表面的SEM照片

3 結(jié)論

1）石墨的紅外光譜圖分析表明，經(jīng)過有機(jī)改性，石墨粉體顆粒成功地被有機(jī)改性劑KH570和CTAB所包覆。

2）在本研究范圍內(nèi)，當(dāng)PVC添加量為5份時，NBR/石墨/PVC復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，摩擦因數(shù)和阿克隆磨耗也達(dá)到最低。

3）復(fù)合材料磨損表面的SEM照片顯示，改性石墨與丁腈橡膠的相容性得到改善，有利于提高復(fù)合材料的耐磨性能。

［1]楊漢祥，梁玉蓉，譚英杰，等. 石墨/二硫化鉬/丁腈橡膠復(fù)合材料的性能［J］. 合成橡膠工業(yè)，2013，36（3）：212-215.

［2]吳新國，解曉花，劉承剛. 低摩擦丁腈橡膠復(fù)合材料配合及摩擦性能研究［J］. 特種橡膠制品，2011，32（1）：40-47.

［3]葉孟蜍，李祖彬. 汽車油封的研究進(jìn)展［J］. 特種橡膠制品，2010，31（6）：71-76.

［4]張建強(qiáng)，馮輝霞，邱建輝.二硫化鉬粉體的表面改性研究［J］. 中國粉體技術(shù)，2009，15（4）：15-18.

［5]楊建.石墨填充橡膠材料的性能研究及納米復(fù)合材料的制備［D］. 北京：北京化工大學(xué)，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]史俊紅.石墨增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究［D］. 北京：北京化工大學(xué)，2008.

［8]楊建. 二硫化鉬/橡膠復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，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

張濤（1985-），男，河南商丘人，助教，主要從事橡膠基復(fù)合材料的研究工作，電話： 13753473395，E-mail： zhangtao8503@163.com

2016-04-14