碳纖維對橡膠材料基體的機械性能增強

于化龍 (中國石油大學(xué) (北京) 克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

隨著我國工業(yè)發(fā)展的進(jìn)步，各類工業(yè)發(fā)展異軍突起，電力工業(yè)、汽車工業(yè)以及航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用橡膠材料：例如橡膠由于具有良好的絕緣特征，被廣泛用于電纜的絕緣保護套制作材料；由于具有較好的彈性、拉伸強度、抗撕裂等特性，多被用于汽車的輪胎制造、配件；耐高溫、耐摩擦、阻燃等特性，使橡膠材料成為備受航空航天行業(yè)青睞的、外部表面的理想制作材料。另外，由于具有良好的耐油性，作為油井專用材料、密封圈材料等橡膠的常見用途。凡此種種，本文不再一一列舉。文章主要探討橡膠與碳纖維結(jié)合產(chǎn)生的改性效果。

1 橡膠

1.1 橡膠的概念

橡膠是一種具有可逆形變的高彈性聚合物材料，在受力很小的情況下能產(chǎn)生較大的形變，外力消失后又能迅速恢復(fù)原狀，橡膠分子量巨大，是一種用途非常廣泛的材料，它主要是從三葉橡膠樹的膠乳中提取出來的，呈乳白色。天然橡膠的強度相對較低，抗撕裂性能差，需要對天然橡膠進(jìn)行加工和處理，添加一些其他材料能有效提升橡膠的一些性能，諸如耐熱、抗寒、耐磨、抗靜電等，即成為合成橡膠。

1.2 合成橡膠的分類

橡膠有天然橡膠和合成橡膠之分，本研究僅針對合成橡膠進(jìn)行探討。合成橡膠材料的成分更復(fù)雜，其具有的很多性能較天然橡膠大大增強，例如拉伸強度、耐熱、抗寒、耐磨、抗靜電等。根據(jù)添加材料的不同，合成橡膠可以分為很多種，常見的合成橡膠有丁腈橡膠材料、丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠等。不同復(fù)合材料合成的橡膠材料有各自的優(yōu)點和缺點，但總體而言，丁腈橡膠是目前用途最廣泛的橡膠之一。

由于丁腈橡膠具有彈性高、模量低、耐油性好、阻燃性強、耐老化好、氣密性強等優(yōu)點，在如汽車工業(yè)、石油工業(yè)、船舶工業(yè)、軍事后勤裝備等方面應(yīng)用廣泛，本文僅以丁腈橡膠為例，探討不同材料的加入對橡膠相關(guān)機械性能的增強效果。

2 碳纖維的概念、特點、分類及應(yīng)用

2.1 碳纖維的概念

碳纖維是一種含碳量非常高的高強度、高模量纖維，其最大的特點是耐高溫，在所有化學(xué)纖維中堪居首位。其原料一般是腈綸和粘膠，經(jīng)高溫、高氧碳化而成，含碳量高達(dá)90%，是一種不可多得的耐高溫材料，在許多關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，例如用于航天器等高技術(shù)器材設(shè)備的制作材料。

2.2 碳纖維的特點

碳纖維具有強度高、剛性大、耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，其質(zhì)地柔軟、外形呈現(xiàn)纖維狀，可作為各種織物的制作材料。由于碳纖維具有密度小、石墨微晶沿纖維軸擇優(yōu)的取向特點，因此具有很高的強度和模量。

2.3 碳纖維的分類

“碳纖維”實際上是多種碳纖維的總稱，具體可以根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)分為許多類。常見的有聚丙烯腈基、瀝青基及黏膠基這三類，又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同而被細(xì)分成許多品種。還有一些超高性能碳纖維，例如活性碳纖維、抗氧化碳纖維、中空碳纖維、低熱膨脹系數(shù)碳纖維、高導(dǎo)熱低電阻碳纖維等。碳纖維作為一種復(fù)合材料，其功能日益強大，應(yīng)用日漸廣泛。

2.4 碳纖維主要的應(yīng)用方向

碳纖維一般會作為增強材料，與橡膠、樹脂、金屬、陶瓷及炭等復(fù)合，制成性能優(yōu)越的復(fù)合材料，在一些高精尖領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，例如可作為飛機、火箭、防彈車等的制造材料。

3 碳纖維用于橡膠材料的優(yōu)勢

一直以來，人們對于碳纖維和橡膠材料的一些共性都倍加肯定，例如二者都具有的耐高溫、耐磨、抗撕裂等性能。人們猜想將二者結(jié)合起來會產(chǎn)生性能更好的材料，相應(yīng)的研究成果也早就投入產(chǎn)品的開發(fā)。本研究提出猜想：將短碳纖維用于丁腈橡膠材料的改性，將能增強橡膠的耐磨和強度等機械性能。

4 短碳纖維含量對丁腈橡膠力學(xué)性能的影響

4.1 研究過程

本研究通過實驗的方式來展開討論。

4.1.1 材料

采用的原材料主要如下：丁腈橡膠 (中國石油蘭州石化公司)、短切碳纖維 (中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司)、硫磺 (昆山聯(lián)瑞橡塑有限公司)、硬脂酸 (上海宗龍化工有限公司)、氧化鋅 (上海祁聚化工有限公司)、二硫化四甲基秋蘭姆 (昆山聯(lián)瑞橡塑有限公司)、N-環(huán)己基-2-本駢噻唑次磺酰胺 (昆山聯(lián)瑞橡塑有限公司)、白碳黑 (上海祁聚化工有限公司)、碳酸鈣 (上海祁聚化工有限公司)[1]。

4.1.2 制備試樣

除碳纖維以外，將其他所有原料依次置于密煉機中進(jìn)行密煉，密煉溫度范圍設(shè)定為95～105 ℃。在雙輥開煉機上，向密煉膠中添加不同量的碳纖維，根據(jù)碳纖維復(fù)合橡膠材料不同的取向程度，需要采用不同的混煉方法。

將混煉獲得的膠進(jìn)行返煉，然后按照配比添加碳纖維，確?；鞜捑鶆颉?/p>

取適量混煉膠返煉，加入碳纖維，這次不需要打三角包和薄通處理，利用混煉機械設(shè)備的剪切力獲取碳纖維復(fù)合材料，即所謂的生料。把雙輥獲得的復(fù)合材料依照一定的方向剖開，一般是沿著壓延垂直剖開，就可得到垂直取向的碳纖維復(fù)合橡膠材料。

根據(jù)橡膠拉伸測試的要求，制備沒有硫化的碳纖維/丁腈橡膠復(fù)合材料等具有不同取向的拉伸試樣，將各自試樣置于電熱平板液壓機上進(jìn)行硫化，分別獲得隨機、平行、垂直取向的3種碳纖維橡膠復(fù)合材料試樣。

4.2 性能測試

(1)使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)測試法，將試樣進(jìn)行處理后置于電子顯微鏡 (日本日立S7 000)下對試樣的纖維取向進(jìn)行觀測。

(2)進(jìn)行幾項重要的機械性能測試，包括拉伸性能檢測、磨耗測試、摩擦系數(shù)測定。

通過檢測發(fā)現(xiàn)，碳纖維在丁腈橡膠中是隨機分布的，其間的結(jié)構(gòu)是互相交錯搭接的，這樣就形成了骨架材料，再與橡膠配合進(jìn)而形成復(fù)合材料。本實驗采用的是取向混煉工藝，使得碳纖維在橡膠基體里的分散良好，大大提高了纖維的取向分布比例，結(jié)果表明其沿壓延方向取向程度得到顯著提高，達(dá)到了取向的效果[2]。

經(jīng)過雙輥混煉壓延后，復(fù)合材料的取向度都在50%以上，但是纖維含量的增加對于取向度的影響不夠顯著。推測主要是因為碳纖維的剛性特點導(dǎo)致其流動取向速度較橡膠材料慢，取向主要受后期不同混合煉的工藝方法影響。假定采用的混煉工藝一樣，那么碳纖維含量又由于自身柔軟的特性，與丁腈橡膠材料的結(jié)合不夠完美，導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)誤差。

4.2.1 碳纖維含量的不同，會顯著改變混煉橡膠材料的拉伸強度

碳纖維含量的不同，會導(dǎo)致混煉橡膠材料的拉伸強度產(chǎn)生較大的改變。實驗表明，增加碳纖維后，樣品的拉伸強度和拉斷伸長率隨著碳纖維硬度的增加而減小，原因是彈性變形性受到限制，位移減少，而又由于碳纖維柔軟的特征，橡膠材料300%定伸強度得到顯著提升。平行取向的碳纖維復(fù)合橡膠材料，表現(xiàn)出了良好的拉伸性能，其次是隨機取向的，強度最差的則為垂直取向的碳纖維復(fù)合材料，主要由于垂直取向降低了膠的基體強度[3]。顧名思義，隨機取向的碳纖維在復(fù)合材料中分布方向是隨機的。當(dāng)纖維在橡膠材料中的取向為平行排列的時候，應(yīng)力方向與纖維方向一致，由于碳纖維受到基體產(chǎn)生的剪切應(yīng)力以及由該剪切應(yīng)力引起的纖維軸向的拉伸應(yīng)力，復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的拉伸強度和拉斷伸長率。然而當(dāng)沿著垂直方向取向時，纖維不但沒有起到增強作用，反而加大了纖維的拔出率，被視為橡膠基體的缺陷。在拉伸應(yīng)力作用下，碳纖維從橡膠內(nèi)拔出，必然會使得應(yīng)力集中，改變了橡膠材料拉伸的曲線趨勢，更為重要的是，如果集中點過多，很大可能會使復(fù)合材料發(fā)生斷裂。

4.2.2 添加碳纖維，會導(dǎo)致橡膠材料的抗撕裂性能下降

碳纖維的量必須控制在一定范圍內(nèi)，添加碳纖維，雖然增強了膠的基體強度，但是同時也降低了橡膠的彈性，使橡膠的撕裂應(yīng)力增大，削弱碳纖維和膠的結(jié)合度，使得纖維拔出，缺少了碳纖維的硬度加持，自然就弱化了橡膠的基體強度，最終使得抗撕裂性能下降。

4.2.3 適量碳纖維的增加，可顯著提升橡膠基體的耐摩擦性能

摩擦實驗中，在設(shè)定室溫條件下，轉(zhuǎn)速為200 r/min，時間為10 min，對添加了不同含量碳纖維的橡膠材料進(jìn)行摩擦實驗。由實驗結(jié)果可知，當(dāng)加載的外力為16 N或者20 N時，此時的摩擦系數(shù)(M0)曲線較大；當(dāng)加載力在20 N時，摩擦系數(shù)(M1)曲線趨近于平穩(wěn)摩擦系數(shù)，低于M0。分析對比可知，前者比后者的磨損量增加了近1.5倍[4]。由此可知，在丁腈橡膠中添加15份碳纖維能顯著減小膠的摩擦系數(shù)，降低膠的磨損量，從而大大提高膠的耐摩擦性能。

隨著實驗的推進(jìn)，碳纖維的添加量對橡膠機械性能的作用愈加顯著，而不同的含量，會產(chǎn)生不同的效果，對橡膠材料機械性能的改變各有側(cè)重。

5 結(jié)語

隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，對碳纖維和橡膠材料的結(jié)合會更有針對性，能根據(jù)需要改良橡膠材料的性能。在平行取向的碳纖維橡膠材料中，磨耗和碳纖維耐摩擦性能加大，而隨機取向分布的以及垂直取向的橡膠復(fù)合材料磨耗先降低，后增大，而摩擦系數(shù)的加大與減小與磨耗的變化恰恰相反，是先增加，后減少的。合理增加碳纖維能有效增強橡膠的耐摩擦性、降低橡膠材料的拉伸強度、降低橡膠材料的抗撕裂性能。

總而言之，盡管添加碳纖維對橡膠材料顯著的改性效果，在進(jìn)行橡膠材料的復(fù)合研究時，也需要注意控制碳纖維的含量以及其對應(yīng)的加載力取向。