不同短纖維對(duì)EPDM多楔帶物理性能的影響

夏　鋒，汪　艷，，嚴(yán)光旺，熊立軍，徐　旸

(1 武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2 湖北茂鑫特種膠帶有限責(zé)任公司，湖北隨州 432700)

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不同短纖維對(duì)EPDM多楔帶物理性能的影響

夏鋒1，汪艷1，2，嚴(yán)光旺1，熊立軍2，徐旸1

(1 武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2 湖北茂鑫特種膠帶有限責(zé)任公司，湖北隨州 432700)

研究錦綸短纖維(FN66)、芳綸短纖維(PAF)和聚酯短纖維(FD)對(duì)EPDM多楔帶物理性能的影響，結(jié)果表明，短纖維在0～15份用量范圍內(nèi)，隨著用量的增加，填充FN66、PAF、FD的EPDM硫化膠的邵氏硬度、100%定伸應(yīng)力有明顯的上升趨勢(shì)；拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大，最后又減小。FN66和PAF的填充量為7份，F(xiàn)D填充量為10份時(shí)硫化膠有較大的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

多楔帶，EPDM，F(xiàn)N66，PAF，F(xiàn)D

1-背帶織物；2-粘合膠；3-抗拉體；4-楔膠

多楔帶又叫肋條形V帶，它以普通平帶為基體，內(nèi)表面排布有等間距縱向約40°三角形楔的環(huán)形橡膠傳動(dòng)帶。多楔帶的工作面為楔的側(cè)面，其中抗拉體位于平帶基體緩沖膠內(nèi)，是連續(xù)的。單面楔多楔帶的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括頂布、緩沖膠、抗拉體和楔膠[1]。

多楔帶同時(shí)具有平帶和聯(lián)組V帶的傳動(dòng)特點(diǎn)：傳動(dòng)力矩大而且使用壽命長(zhǎng)[2]，并且多楔帶還有耐曲撓性好、疲勞生熱小、噪音低的優(yōu)勢(shì)。目前，大部分轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)基本上都采用氯丁橡膠(CR)多楔帶作為驅(qū)動(dòng)用帶[3-4]，但是隨著轎車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜緊湊化，腔體內(nèi)工作溫度會(huì)大幅提高，不耐熱的氯丁橡膠會(huì)被逐漸淘汰，針對(duì)這些情況，可以考慮采用耐熱效果好，價(jià)格又相對(duì)較低的EPDM來(lái)研制汽車用多楔帶。乙丙橡膠相比于氯丁橡膠具有更加優(yōu)異的耐候性、耐抗臭氧性以及耐熱老化性能；在物理、機(jī)械性能等綜合性能幾個(gè)方面，乙丙橡膠的表現(xiàn)更為突出[5-7]。

多楔帶摩擦部分為楔膠，這就需要楔膠具有優(yōu)良的強(qiáng)度及耐磨性能，可往EPDM中加入短纖維增加楔膠的物理性能。選用錦綸66短纖維、芳綸短纖維和聚酯短纖維進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究短纖維種類和用量對(duì)EPDM多楔帶性能的影響，以及觀察短纖維在EPDM橡膠基體中的分散狀況。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

EPDM，牌號(hào)為Buna EP G6470，第三單體含量4.5%，德國(guó)朗盛公司產(chǎn)品。錦綸短纖維，牌號(hào)為FN66，纖維長(zhǎng)度 0.5mm～1.5mm，含水率≤4.5%；芳綸短纖維，牌號(hào)為PAF，纖維長(zhǎng)度 0.5mm～1.5mm，含水率≤3.0%；聚酯短纖維，牌號(hào)為FD，纖維長(zhǎng)度0.5mm～1.5mm，含水率≤3.0%，均為黑龍江弘宇短纖維新材料股份有限公司產(chǎn)品。

1.2主要設(shè)備與儀器

SK160B雙滾筒煉膠機(jī)，上海拓林橡膠機(jī)械廠；C2000E無(wú)轉(zhuǎn)子橡膠硫化儀，北京市友深電子儀器廠；XLB-D壓力成型機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司；TY-4025沖片機(jī)，江都市天惠試驗(yàn)機(jī)械有限公司；LX-A橡膠硬度計(jì)，上海倫捷機(jī)電儀表有限公司；TCS-2000電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器(東莞)有限公司。

1.3基本配方

EPDM 100，炭黑N330 65，氧化鋅 5，硬脂酸 1，石蠟油 7，防老劑4010 1，硫磺 1.5，促進(jìn)劑DM 0.4。

1.4試樣制備

先將開煉機(jī)輥距調(diào)小，加入EPDM塑煉3min～5min，之后將輥距調(diào)適中加入短纖維煉膠，混合均勻后加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑4010、石蠟油、炭黑N330，之后加入硫磺和促進(jìn)劑DM，混煉均勻后調(diào)小輥距薄通5～10次，之后調(diào)大輥距下片，靜置至少24h。

將平板硫化儀升溫到160℃，將膠片置于其中硫化20min，壓力設(shè)置10MPa。將硫化后的膠片在與出片方向平行(L向)和與出片方向垂直(T向)分別裁取試樣。

1.5測(cè)試分析

硫化膠各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。拉伸性能測(cè)試?yán)焖俾蕿?00mm/min。

2　結(jié)果與討論

2.1不同短纖維對(duì)EPDM硫化膠物理性能的影響

不同短纖維對(duì)EPDM硫化膠物理性能的影響如圖2～圖7所示。

圖2　短纖維種類和用量對(duì)EPDM硫化膠邵氏A硬度的影響

由圖2可見，使用3種不同的短纖維補(bǔ)強(qiáng)EPDM時(shí)，隨著短纖維用量的增大，EPDM硫化膠的邵氏A硬度迅速提高。由圖3可見，EPDM硫化膠的L向100%定伸應(yīng)力隨著短纖維用量的增大提高明顯。硫化膠的定伸應(yīng)力和硬度都可以表現(xiàn)硫化膠抵抗外力而不變形的能力，硬度與壓縮變形有關(guān)，定伸應(yīng)力與拉伸變形有關(guān)[8]。綜合圖2、圖3，F(xiàn)N66的補(bǔ)強(qiáng)效果略優(yōu)于PAF和FD，這是由短纖維模量、長(zhǎng)徑比、與橡膠界面結(jié)合能力的差異引起的，F(xiàn)N66的模量較高，長(zhǎng)徑比較PAF、FD大，而且FN66短纖維為針對(duì)EPDM橡膠進(jìn)行表面預(yù)處理的短纖維，在EPDM中具有較好的分散性和補(bǔ)強(qiáng)性能，經(jīng)預(yù)處理后與EPDM橡膠基體的界面粘合能力提高，抵抗外力不變形的能力大大增強(qiáng)，非常適合于EPDM基傳動(dòng)帶的增強(qiáng)。

圖3　短纖維種類和用量對(duì)EPDM硫化膠L向100%定伸應(yīng)力的影響

由圖4、圖5可見，隨著短纖維用量的增大，EPDM硫化膠的拉伸強(qiáng)度先下降后上升，最后再次下降。一般認(rèn)為，這是短纖維端部應(yīng)力集中引起的。真實(shí)的斷裂過(guò)程總是在試樣有微觀缺陷的地方開始，應(yīng)力集中造成微觀缺陷是產(chǎn)生最初裂縫的發(fā)端，所以當(dāng)短纖維用量較小時(shí)，雖然提高了基體抵抗變形的能力，但是分散在橡膠基體中的纖維分子端部薄弱點(diǎn)應(yīng)力集中的影響更嚴(yán)重，并不能有效地限制基體變形，因而部分短纖維的端部往往在較小載荷下就被破壞，進(jìn)而發(fā)生屈服現(xiàn)象，之后的載荷主要由基體所承受，直到最后試樣斷裂。隨著短纖維用量的增加，當(dāng)短纖維的用量達(dá)到一定值，即超過(guò)短纖維有效限制基體變形的最低用量時(shí)，短纖維限制基體變形的能力大大增強(qiáng)，端部的應(yīng)力集中也得到了較好的分散，這時(shí)短纖維的端部破壞需要在較大載荷下才會(huì)發(fā)生，因而試樣的拉伸強(qiáng)度得到提高[9]，但是當(dāng)短纖維用量繼續(xù)增加，端部的應(yīng)力集中大大增加，試樣的拉伸強(qiáng)度又會(huì)下降。從圖4、圖5還可以看出，F(xiàn)N66對(duì)EPDM硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)效果較為優(yōu)異，在FN66用量為7份時(shí)，L向與T向的拉伸強(qiáng)度都有較大值。這是由于FN66較PAF與FD有較大的長(zhǎng)徑比以及更好的與橡膠基體粘合效果，對(duì)橡膠基質(zhì)的限制能力更好，從而有更大的拉伸強(qiáng)度。

圖4　短纖維種類和用量對(duì)EPDM硫化膠L向拉伸強(qiáng)度的影響

圖5　短纖維種類和用量對(duì)EPDM硫化膠T向拉伸強(qiáng)度的影響

由圖6、圖7可見，隨著短纖維用量的增加，EPDM硫化膠的斷裂伸長(zhǎng)率總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但在中間有一段較小的上升趨勢(shì)。斷裂伸長(zhǎng)率的下降與所添加的短纖維造成的內(nèi)部破壞密切相關(guān)。中短纖維端部是最薄弱的部分，容易發(fā)生早期破壞。橡膠基體試樣本身是一個(gè)帶有很少內(nèi)部缺陷的整體，加入少量短纖維之后，在拉伸過(guò)程中短纖維端部應(yīng)力集中所造成的早期端部破壞使硫化膠試樣成為一個(gè)帶缺陷的整體，因此新試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都比硫化膠低。在短纖維用量較小時(shí)，短纖維不能有效地限制基體變形，故在較小的載荷下便有短纖維端部發(fā)生破壞，但此時(shí)端部破壞的數(shù)目較少，不足以使試樣迅速斷裂，即試樣還可以進(jìn)一步承受載荷，因而此時(shí)試樣仍具有較大的斷裂伸長(zhǎng)率。但隨著短纖維用量的增大，端部破壞的可能性增大，內(nèi)部缺陷也增多，因此此時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率有一個(gè)很明顯的下降趨勢(shì)。由圖6、圖7還可以看出，在0～5份過(guò)程中，斷裂伸長(zhǎng)率的下降特別明顯。當(dāng)短纖維用量超過(guò)一定量后，短纖維能有效地限制基體變形，短纖維的端部破壞是在較大載荷下才發(fā)生的，因而試樣的斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)有略微增大；當(dāng)短纖維的用量繼續(xù)增大，短纖維的端部破壞數(shù)目大大增加，承受載荷也較大，試樣很快斷裂，斷裂伸長(zhǎng)率持續(xù)減小，并保持在較低水平。

圖6　短纖維種類和用量對(duì)EPDM硫化膠L向斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖7　短纖維種類和用量對(duì)EPDM硫化膠t向斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.2拉伸斷面的SEM分析

圖8所示為填充7份FN66、PAF和填充10份FD的拉伸斷面的SEM 照片。從圖8(a)、圖8(b)可以看到，F(xiàn)N66在橡膠基質(zhì)中分散較為均勻，且短纖維取向比較明顯。這是因?yàn)镕N66 短纖維表面針對(duì)EPDM橡膠經(jīng)過(guò)了特殊的分散和增粘預(yù)處理，因此比較容易均勻分散在EPDM橡膠基質(zhì)中；此外，F(xiàn)N66模量較高，長(zhǎng)徑比較大，相同制樣條件下取向明顯，沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)團(tuán)情況。從圖8(c)可以看到，因?yàn)镻AF模量也較高，在橡膠基質(zhì)中分散也較為均勻，短纖維有部分取向，抽出的纖維也包裹有部分橡膠基質(zhì)。從圖8(d)可以看到，與FN66、PAF相比較，F(xiàn)D的拉伸斷面上纖維分布不夠均勻，纖維間有一定程度的結(jié)團(tuán)傾向，纖維的取向也不夠明顯，這是由于FD短纖維模量較小，長(zhǎng)徑比較小，纖維較為柔軟在橡膠基體中分散、取向困難，容易結(jié)團(tuán)。

(a)FN66 T向，放大100倍

(b)FN66 L向，放大100倍

(c)PAF T向，放大100倍

(d)FD T向，放大100倍

3　結(jié)論

(1)短纖維在0～15份范圍內(nèi)，隨著用量的增加，填充FN66、PAF、FD的EPDM硫化膠的邵氏硬度、100%定伸應(yīng)力有明顯的上升趨勢(shì)；L向與T向的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大，最后又減小。FN66和PAF在填充7份，F(xiàn)D在填充10份的時(shí)候硫化膠有較大的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

(2)SEM分析結(jié)果顯示，與PAF、FD相比，F(xiàn)N66在EPDM橡膠基體中分散較為均勻，與界面的粘合性能較好，有較為明顯的取向。

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Effect of Different Fibers on the Physical Properties of EPDM V-ribbed Belt

XIA Feng1，WANG Yan1，2，YAN Guang-wang1，XIONG Li-jun2，XU Yang1

(1 School of Material Science and Engineering，Wuhan Istitude of Technology，Wuhan 430074，Hubei，China；2 Hubei Mao Xin Special Rubber Belt Co.，Ltd.，Suizhou 432700，Hubei，China)

The properties of EPDM V-ribbed belts with nylon fiber(FN66)，aramid fiber(PAF) and polyester fiber(FD) were investigated.The results showed that，in an amount ranging from 0 to 15 parts，with the increasing number of the fiber contents，the Shore hardness，100% modulus of EPDM filled with FN66，PAF，F(xiàn)D had a clear upward trend；tensile strength and elongation at break reduced and then increased，and finally reduced. The vulcanized rubber had greater tensile strength and elongation at break with the addition of 7phr FN66，PAF and 10phr FD.

V-ribbed belt，EPDM，F(xiàn)N66，PAF，F(xiàn)D

汪艷，碩士生導(dǎo)師，主要主要從事高分子材料配方設(shè)計(jì)、成型加工、復(fù)合改性及快速成型材料等方面的研究工作。

TQ 336