一种芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强的橡胶复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强的橡胶复合材料及其制备方法，其组分和质量百分比为：氯丁橡胶100份、增塑剂1‑10份、补强剂20‑100份、硫化剂5‑10份、芳纶短纤维1‑20份、玄武岩短纤维1‑20份、硅烷偶联剂1‑3份、防老剂1‑4份。本发明制备的复合材料硫化胶达到的力学性能为：短纤维取向沿拉伸试样方向：硬度80～85(邵A)；拉伸强度(室温)10～15MPa；拉断伸长率100～300％；撕裂强度50～60kN/m；屈挠次数为2000‑5000次；动刚度为6000‑7500N/mm。本发明制备的复合材料，工艺简单，加工性能优良，性能满足传动带使用要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以氯丁橡胶为基体，配有芳纶短纤维、玄武岩短纤维定向增强的橡胶复合材料。是一种可用增强横向刚性但不影响纵向柔性的弹性体材料，可用于橡胶传动带等橡胶制品。

背景技术

带传动是机械传动重要的传动形式之一，随着工业技术水平的不断提高以及对机械设备精密化、轻量化，功能化和个性化的要求，不断向高精度、高速度、大功率、高效率、高可靠性、长寿命、低噪声、低振动、低成本、环保和紧凑化发展，其应用范围越来越广，传动形式愈来愈多。近年来，对节能、环保、舒适、安全等方面的要求越来越高，传动带使用一般补强填充剂增强橡胶远远满足不了带的使用要求，尤其是带实现线绳化、聚酯化后，带体较软，横向刚度低，加之聚酯线绳具有热收缩特性，造成带硫化时强力层线绳位移，使成品带强力层排列不整齐，严重影响了带的使用寿命。必须提高底胶的横向刚度又不影响带纵向柔性。在底胶中加入定向短纤维无疑是解决问题的最好办法。短纤维群在带压缩层中是按横向定向，这样可明显提高带的横向刚度和承受侧面压力的作用，使载荷更均匀地分布在全部强力层上，以提高带的动态力学性能，从而弥补线绳结构带横向刚度差的不足。还可以有效地防止带外表面的早期破坏和提高耐磨性能。同时也增加了带与槽轮的抓着力和降低传动中的嗓音。在带伸长层和压缩层中同时实施短纤维复合，具有减小噪音、跳跃、振动和抖动的效应。

芳纶纤维是一种高强度、高模量、耐高温和耐化学介质的新一代工业纤维，用于弹性体复合材料可显著提高材料的模量和强度。由于刚性分子链形成的高结晶度、高取向的分子结构，因此对位芳纶纤维具有强度高、变形小、模量高(尺寸稳定性好)、耐化学品腐蚀和耐温性好的特点。李晓琳发明公开的一种半芳香族聚酰胺短纤维增强复合材料及其制备方法，将60-90％的干燥树脂及10-40％的半芳香族聚酰胺短纤维，在转速为500-2000rpm的高速混合机中预混2-10min，将预混物经过螺杆挤出机熔融、挤出、水浴冷却、造粒，制得半芳香族聚酰胺短纤维增强复合材料。本发明公开的半芳香族聚酰胺短纤维增强复合材料耐热性高、强度和模量显著提高，具有良好的综合性能。杜邦公司将短切芳纶纤维用于传送带和三角带，可以降低摩擦系数，减小生热和使用期间的噪音，增大传输能力且具有高模量、耐热老化、对传动辊磨损小的优势。缺点是芳纶纤维单独用于橡胶产品中成本较高、难取向、难分散，团聚的芳纶纤维容易成为应力集中点，大大降低产品使用寿命。

玄武岩纤维是一种高性能的无机硅酸盐纤维，它是将由二氧化硅、氧化铝、氧化钙和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩矿石破碎后加入池窑中，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制而成，与芳纶、超高分子聚乙烯纤维等其它高性能纤维相比，玄武岩纤维具有许多独特的优点，如力学性能较好、耐高温、可在-269～650℃范围内连续工作，耐酸碱，吸湿性低，此外还有绝缘性好、绝热隔音性能、良好的透波性等优点。周少锋发明公开的一种耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料及其制备方法，所述复合材料由下列重量百分比的原料制备而成，1-20wt％的固体润滑剂、10-40wt％的长玄武岩纤维、35-87wt％的PA6母粒以及2-5wt％的加工助剂，所述加工助剂为硅烷偶联剂或/和热稳定剂。制备的耐磨长玄武岩纤维增强PA6复合材料在力学性能和摩擦性能两方面具有更均衡的综合性质，耐磨能力强，综合性能优，使用寿命长，制备方法简单高效，易于工业化生产，具有推广价值。目前将芳纶短纤维与玄武岩纤维并用后增强复合材料的研究未见报道。玄武岩纤维比芳纶纤维价格便宜十几倍，在橡胶基体中易于分散和取向，将玄武岩纤维与芳纶纤维并用后补强橡胶复合材料是前景发展较好的方向。

发明内容

本发明的目的是制备一种芳纶短纤维与玄武岩短纤维并用定向增强的橡胶复合材料。本发明的特点根据芳纶短纤维难分散难取向，玄武岩短纤维相对易取向易分散易脆断的特性采取不同的工艺，并加入改性剂提高纤维与界面的结合强度。通过芳纶短纤维与玄武岩短纤维并用定向增强制备的橡胶复合材料比单用芳纶纤维分散好，成本低，比单用玄武岩纤维的横向刚度大。通过改变芳纶短纤维和玄武岩短纤维的并用比及改性剂的用量可以调节橡胶复合材料的横向刚度、动态疲劳性能等。该复合材料工艺简单、横向刚度大、性能优异。

本发明具体技术措施如下，其中所述原料份数除特殊说明外，均为质量份数。

本发明的技术方案为：

一种芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料，其组分和质量百分比为：氯丁橡胶100份、增塑剂1-10份、补强剂20-100份、硫化剂5-10份、芳纶短纤维1-20份、玄武岩短纤维1-20份、硅烷偶联剂1-3份、防老剂1-4份。

进一步地，优选的是：所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯类、芳烃类、脂肪油系中的任一种。

进一步地，优选的是：所述的补强剂为N330或N550其中的一种以及具有补强作用的硅酸盐类的一种。

进一步地，优选的是：所述的硫化剂为氧化锌和氧化镁、硫脲类的一种或几种。

进一步地，优选的是：所述的芳纶短纤维和玄武岩短纤维长度为1mm～5mm，两者共混比范围为0.05～20。

进一步地，优选的是：所述的硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰基丙基三甲氧基硅烷或双[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]-四硫化物。

本发明的复合材料加工所用的混炼设备为常规的橡胶用开炼机或密炼机。

为了得到本发明的一种芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料，本发明提供了制备方法，具体的步骤为：

(1)将氯丁橡胶、部分补强剂、芳纶短纤维及硅烷偶联剂在密炼机中混炼，混炼温度不高于95℃，转速20-50rpm，混炼时间不高于5min；

(2)将芳纶母胶及防护体系、补强剂置于密炼机中混炼，控制温度不高于100℃，转速20-50rpm，混炼时间不高于3min，然后加入玄武岩短纤维及硅烷偶联剂混炼1-2min，加入硫化剂混炼不超过3min，排料；

(3)将制备好的混炼胶在开炼机薄通10次或者在压延机上进行取向；

(4)混炼胶在160℃温度下打硫化曲线，硫化条件为160℃×T90下硫化制备得芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料。

本发明提出的一种芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料的制备，首先通过制备芳纶母胶和加入硅烷偶联剂提高芳纶短纤维在橡胶基体中的分散，然后在后面混炼的过程中加入玄武岩纤维和改性剂等共混制备得到复合材料。玄武岩短纤维芳纶纤维价格是玄武岩纤维的十倍，采用玄武岩纤维与芳纶纤维定向增强橡胶复合材料，既可以降低成本，又有助于芳纶纤维定向取向和分散。

本发明制备的复合材料硫化胶达到的力学性能为：短纤维取向沿拉伸试样方向：硬度80～90(邵A)；拉伸强度(室温)10～15MPa；拉断伸长率200～300％；撕裂强度50kN/m；屈挠次数为2000-5000次；动刚度为5000-7000N/mm。本发明制备的复合材料，工艺简单，加工性能优良，性能满足传动带使用要求。

附图说明

图1芳纶短纤维/玄武岩短纤维(20/0)定向增强橡胶复合材料的微观结构

图2芳纶短纤维/玄武岩短纤维(10/10)定向增强橡胶复合材料的微观结构

图3芳纶短纤维/玄武岩纤维(0/20)定向增强橡胶复合材料的微观结构(实施例5)

图4芳纶短纤维/玄武岩短纤维(0/20)定向增强橡胶复合材料的微观结构(实施例6)

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例1-5的配方列于表1。

表1实验配方

对比例1制备方法为：

1)芳纶母胶：进料温度50℃，转速30rpm，加入CR混炼1min，加入芳纶纤维和部分炭黑混炼2min后清扫排胶，排胶温95℃左右。

2)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，加入芳纶母胶混炼1.5min，加入各种小料、填料、DOA后混炼2min后清扫排胶，排胶温95℃左右。

3)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料和硫化剂，1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。

4)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。

实施例2-4的制备方法为：

1)芳纶母胶：进料温度50℃，转速30rpm，加入CR混炼1min，加入芳纶纤维和部分炭黑混炼2min后清扫排胶，排胶温95℃左右。

2)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，加入芳纶母胶混炼1.5min，加入各种小料、填料、DOA后混炼2min，然后加入玄武岩短纤维、硅烷偶联剂，1min后清扫排胶，排胶温95℃左右。

3)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料和硫化剂，1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。

4)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。

对比例5制备方法为：

1)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，加入CR混炼1.5min，加入各种小料、填料、DOA后混炼2min，然后加入玄武岩短纤维、硅烷偶联剂，1min后清扫排胶，排胶温95℃左右。

2)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料和硫化剂，1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。

3)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。

对比例6制备方法为：

1)玄武岩纤维母胶：进料温度50℃，转速30rpm，加入CR混炼1min，加入玄武岩纤维和部分炭黑混炼1min，2min后清扫排胶，排胶温95℃左右。

2)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，加入玄武岩纤维母胶混炼1.5min，加入各种小料、填料、DOA后混炼2min清扫排胶，排胶温95℃左右。

3)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料和硫化剂，1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。

4)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。

对比例7制备方法为：

1)一段混炼胶：进料温度55℃，转速30rpm，加入CR混炼1.5min，加入各种小料、填料、DOA后混炼2min后清扫排胶，排胶温95℃左右。

2)二段混炼：进料温度50℃，转速20rpm，加入胶料和硫化剂，1.5min后排胶，排胶温度95℃左右。

3)将上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模压，压力10MPa，按160℃*T90硫化。

制备的热塑性硫化胶的力学性能按照ASTM规定方法测试，测试结果见表2。

表2是纤维定向增强橡胶复合材料的基本物理性能，对比例1为纯芳纶短纤维定向增强橡胶复合材料，实施例2、3、4芳纶短纤维与玄武岩短纤维并用定向增强橡胶复合材料，前期的研究发现玄武岩纤维容易分散和取向，对比例5-6是玄武岩短纤维采用不同工艺制备的玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料。对比例5是直接混炼，且在一段混炼的最后加入，而对比例6是制备玄武岩纤维母胶，然后再混炼制备复合材料。对比例7是未加短纤维的。从表中可以看出未加短纤维的对比例7与加入短纤维的横向刚度明显低很多。实施例2-4的拉断伸长率和屈挠性能明显好于对比例1，动刚度明显高于对比例5、6、7。对比例5虽然比对比例6性能好，但是动刚度明显低于实施例2-4。所以实施例2-4的综合性能相对来说较好。图1是纯的芳纶短纤维定向增强橡胶复合材料，图中可以看出芳纶纤维有团聚，分散较差，取向度也差，这跟表2中屈挠性能和拉断伸长率差相一致；图2是相同用量的芳纶短纤维与玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料，可以看出纤维成团现象有所减轻，分散均匀度有所提高；图3是纯的玄武岩短纤维定向增强橡胶复合材料(对比例5制备方法)，而图4是纯的玄武岩纤维定向增强橡胶复合材料(对比例6制备方法)，可以看出图3、4的玄武岩短纤维取向和分散好，但图4的玄武岩短纤维有些长径比明显减小，说明玄武岩短纤维在加工过程中出现断裂，这与表2中对比例6动刚度和硬度都比对比例5小是一致的。从表2和图1-4综合比较，芳纶短纤维与玄武岩短纤维并用定向增强制备橡胶复合材料可以获得较好的综合性能，可以根据产品对动刚度的需要来改变两者共混比。

表2物理机械性能