玻璃纖維/NR/BR復(fù)合材料的制備及性能研究

楊傳奇 王忠光 王 亮 翟登婭 趙桂英

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

滑倒被認(rèn)為是導(dǎo)致人身傷害的一個(gè)主要原因,當(dāng)鞋與地面摩擦力損失就可能導(dǎo)致滑倒發(fā)生；根據(jù)美國安全工程協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，滑倒事故是引起職業(yè)死亡的第二大因素[1]；隨著人們生活水平的提高，許多家居、商場、衛(wèi)生間均鋪設(shè)美觀但光滑的大理石、瓷磚等地板，在考慮舒適性、耐用性的同時(shí)，也對(duì)鞋穿著安全性提出了更高的要求，因此對(duì)于鞋類防滑性能的研究，就顯得尤為重要[2]。

鞋底是鞋子的主要部件，穿著時(shí)直接與地面接觸，鞋底材料的防滑性已成為研究內(nèi)容之一；橡膠鞋底優(yōu)良的耐折性、耐磨性、防寒性、保暖性和防水性能等是其它材料所不能及的，目前它仍然是使用量最大的鞋底材料；鞋大底膠料中通常采用NR/HS、NR/SBR、NR/SBR/HS、或SBR/HS等并用，以期獲得綜合性能最佳的鞋底材料；淺色大底膠料通常采用白炭黑、碳酸鈣、陶土、納米礦物材料以及木質(zhì)素等為補(bǔ)強(qiáng)填充劑，其中白炭黑的用量大，補(bǔ)強(qiáng)效果好，但其價(jià)格較高。

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，種類繁多，價(jià)格便宜，且絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好；但未經(jīng)表面處理的纖維性脆、耐磨性較差、表面光滑，活性基團(tuán)少、浸潤性差；已有研究表明，玻璃纖維經(jīng)表面處理后，不僅可以大幅提高其耐磨性、耐扭斷性．還能賦予玻璃纖維表面一定的活性基團(tuán)，提高其與橡膠的相容性和界面粘結(jié)性，使其在橡膠基體中分散更加均勻,發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)劑的作用[3，4]；以NR/BR并用為主體材料，采用經(jīng)表面處理的玻璃纖維部分替代白炭黑為填充補(bǔ)強(qiáng)劑，研究玻璃纖維的用量對(duì)NR/BR鞋底膠料硫化特性、力學(xué)性能、耐磨性及防滑性能的影響，為防滑鞋底材料的選用及開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

NR：海南農(nóng)墾公司產(chǎn)品；BR：北京利博恒遠(yuǎn)化工有限公司；玻璃纖維：泰安市白玉玻纖復(fù)合材料有限公司；沉淀法白炭黑：連云港連吉化學(xué)工業(yè)有限公司；納米凹土：玖川納米科技股份有限公司；氧化鋅、硬脂酸：中國石化南京化工廠；軟化劑、促進(jìn)劑、防老劑等為市售產(chǎn)品。

1.2 基本配方

NR 55份，BR 45份，氧化鋅 5份，硬脂酸 1份，PEG-4000 3份，二甘醇 2份，防老劑 1.5份，促進(jìn)劑 1.5份，硫黃 2.0份，軟化劑10份，增粘劑1.5份，補(bǔ)強(qiáng)填充體系為變量見表1。

表1 填料類型Table 1 the filler type

1.3 主要設(shè)備與儀器

開放式煉膠機(jī)XK-160、平板硫化機(jī)QLB-50D/Q均為無錫市第一橡塑機(jī)械有限公司；BM-Ⅲ 型擺式摩擦系數(shù)測定儀，江蘇沭陽高速公路有限公司；無轉(zhuǎn)子硫化儀GT-M2000-A：臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司；電子拉力機(jī)JDL-2500 江都實(shí)驗(yàn)機(jī)械廠；阿克隆磨耗機(jī)、邵氏硬度計(jì)：江都試驗(yàn)機(jī)械廠。

1.4 試樣制備

1.4.1復(fù)合材料的制備

玻璃纖維的預(yù)處理：將短切玻璃纖維浸泡在一定比例的硅烷偶聯(lián)劑溶液中，經(jīng)一定時(shí)間后，在105 ℃溫度下烘干固化而成。

膠料的混煉：先調(diào)節(jié)雙輥開煉機(jī)輥距至0.1 mm，首先加入NR薄通塑煉7次，然后加入BR混合均勻，制得塑煉膠；調(diào)整輥距至2 mm左右，留有少量堆積膠，并按以下加料順序加入各種配合劑進(jìn)行混煉：

1.4.2試樣的硫化

將混煉后的膠料按規(guī)定的時(shí)間停放后，采用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化試樣的制備；硫化三要素為：溫度：160 ℃，時(shí)間：T90，壓力：15 MPa；阿克隆磨耗試驗(yàn)用膠輪的硫化時(shí)間為T90+7 min；將硫化后的試樣在室溫下停放12～36 h，采用沖片機(jī)進(jìn)行試樣的沖裁及性能測試。

1.5 性能測試 [5]

按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相關(guān)性能的測試；其中拉伸性能測試采用啞鈴形Ⅰ型試樣，拉伸速度為500 mm/min，撕裂性能測試采用直角型試樣；膠料硫化特性的測試條件：溫度設(shè)定為160 ℃，壓力為0.35～0.6MPa；防滑性能測試采用 ASTM E303-93標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)基準(zhǔn)物為玻璃。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠硫化特性的影響

填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠硫化特性的影響見表2所示。

表2 填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠硫化特性的影響Table 2 Impact of the filler type on the vulcanization characteristics of the NR/BR composites

T10、T90分別表示膠料的焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間，從表2中可以看出，5個(gè)配方膠料的T10均在55 s～85 s之間，膠料的焦燒時(shí)間適中，加工安全性很好，不易焦燒；5個(gè)配方膠料的T90均在173 s～253 s之間，膠料的工藝正硫化時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，有利于節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)成本；隨著玻璃纖維用量的增加，膠料的正硫化時(shí)間逐漸縮短，明顯小于白炭黑和納米凹土填充膠料的硫化時(shí)間，原因可能是白炭黑和納米凹土容易吸附膠料中的促進(jìn)劑，延遲了膠料的正硫化時(shí)間。

2.2 填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠力學(xué)性能的影響

填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠力學(xué)性能的影響見圖1。

圖1 填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠的拉伸強(qiáng)度、最大伸長率、硬度、300%定伸應(yīng)力影響圖Fig 1 The comparison chart of the tensile strength、elongation at break、hardness and 300% tensilestrength of different fillers on the NR/BR composites

拉伸強(qiáng)度表示硫化膠抵抗拉伸破壞的極限能力，從圖1可以看出，隨著玻璃纖維用量的增加，膠料的拉伸強(qiáng)度先增加后減少，當(dāng)玻璃纖維加入量為6份時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，當(dāng)玻璃纖維用量增加至9份時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度明顯低于白炭黑填充膠料的拉伸強(qiáng)度，說明少量的玻璃纖維在橡膠中具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，而多量的玻璃纖維可能會(huì)導(dǎo)致纖維堆積，不能完全浸潤到橡膠基體中，使其在橡膠中的分散性變差，界面粘合強(qiáng)度小[6]，受力時(shí)容易從薄弱環(huán)節(jié)斷裂，拉伸強(qiáng)度下降；由于納米凹土表面效應(yīng)大，與橡膠的相容性較差，因此添加6份納米凹土膠料的拉伸強(qiáng)度稍小于白炭黑填充膠料，但明顯大于填充相同分?jǐn)?shù)的玻璃纖維膠料。

從圖1還可以看出，膠料的最大伸長率隨著玻璃纖維用量的增加逐漸降低，其數(shù)值明顯小于白炭黑和納米凹土填充膠料的伸長率，可能是經(jīng)表面處理后的纖維與橡膠產(chǎn)生了粘合，從而限制了橡膠的變形，導(dǎo)致膠料伸長率降低；隨著玻璃纖維用量的增多，膠料的硬度和300%定伸應(yīng)力明顯增大，說明纖維的添加能提高膠料抵抗變形的能力。

2.3 填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠其它性能的影響

填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠其它性能的影響見圖2。

圖2 填料類型對(duì)NR/BR鞋底膠的磨耗體積、撕裂強(qiáng)度、濕摩擦系數(shù)影響圖Fig 2 The comparison chart of the Wear volume、tear strength and wet friction coefficient ofdifferent fillers on the NR/BR composites

從圖2可以看出，添加纖維膠料的撕裂強(qiáng)度大于白炭黑和納米凹土填充膠料，當(dāng)玻璃纖維用量為6份時(shí)，膠料的撕裂強(qiáng)度最大，達(dá)到37.27 kN/m，可能是纖維的添加增強(qiáng)了膠料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，膠料在老化作用或受到尖銳物的撞擊時(shí)不易產(chǎn)生裂口、破損，提高了膠料的抗撕裂性能；通常采用磨耗體積來表征膠料的耐磨性能，磨耗體積越大，膠料耐磨性越差，反之，膠料耐磨性越好；從圖2可以看出，添加玻璃纖維膠料的磨耗體積明顯大于白炭黑和納米凹土填充膠料，說明玻璃纖維部分替代白炭黑會(huì)導(dǎo)致膠料的耐磨性變差；同樣，添加納米凹土膠料的磨耗體積也大于白炭黑膠料；當(dāng)玻璃纖維用量少于6份時(shí)，膠料的硬度、拉伸強(qiáng)度、伸長率及磨耗體積等均達(dá)到或超過膠鞋大底國家標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)的要求。

鞋類的防滑性是指外底對(duì)地面的止滑效果或抓著力，膠料的防滑性能通常采用摩擦系數(shù)來表示，摩擦系數(shù)越大，使膠料表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需的力越大，說明膠料的止滑性能越好[7]；從圖2可以看出，采用納米凹土部分替代白炭黑膠料的濕摩擦系數(shù)與白炭黑填充膠料的相差不大，而采用玻璃纖維部分替代白炭黑膠料的濕摩擦系數(shù)均有所增加，當(dāng)玻璃纖維用量為6份時(shí)，膠料的濕摩擦系數(shù)最大，達(dá)到0.228，說明玻璃纖維作為補(bǔ)強(qiáng)填充劑能增大膠料的濕摩擦系數(shù)，提高鞋底膠的抗?jié)窕阅堋?/p>

3 結(jié) 論

采用玻璃纖維部分替代白炭黑能縮短膠料的正硫化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；隨著玻璃纖維用量的提高，膠料的硬度、撕裂強(qiáng)度及濕摩擦系數(shù)增加，耐磨性逐漸降低；當(dāng)玻璃纖維用量為6份時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度最大，其綜合性能高于白炭黑、納米凹土部分替代白炭黑填充膠料的性能；由于膠料的濕摩擦系數(shù)越大，膠料的抗?jié)窕阅茉胶?，可考慮將玻璃纖維用于淺色防滑鞋底膠料中，避免可能發(fā)生的滑倒跌傷事故。

[1] Li K, Courtney T, Huang Y, et al.Employee experience and perception of floor slipperiness: a field survey in fastfoodrestaurants[J].Professional safety, 2006, (9):34.

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