短切芳纶/橡胶的界面特性对复合材料性能的影响研究

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丁腈橡胶(NBR)作为一种具有优异耐油性和耐磨性的合成橡胶,已广泛用于诸如密封圈、软管、轮胎和轴承领域,这对其耐磨性提出较高要求。为了提高NBR基复合材料的耐磨性,将高性能短切芳纶(AF)作为增强填料引入复合材料。主要工作如下:(1)对比了AF和尼龙纤维(NF),即芳香族聚酰胺和脂肪族聚酰胺的引入对NBR基复合材料性能的影响。探讨了纤维的间苯二酚-甲醛-胶乳(RFL)体系处理对复合材料力学性能和耐磨性的影响及影响机理。结果表明,由于AF与基体间更大的模量差和较弱的界面粘合力,AF/NBR复合材料的拉伸强度和拉断伸长率均低于NF/NBR复合材料。经RFL处理后,复合材料的界面粘合得以改善。AF/NBR复合材料的拉伸强度和拉断伸长率大幅提高,优于NF/NBR复合材料。另外,未处理的AF/NBR复合材料的耐磨性最好,这是由于其具有最高的硬度和撕裂强度。(2)研究了纤维含量和纤维的RFL处理对AF/NBR复合材料性能的影响。结果表明,AF/NBR复合材料的拉伸强度随着纤维含量的增加先降低后提高,这是因为在高AF含量时形成了纤维网络,在拉伸过程中承担了载荷。经RFL处理后,AF与NBR的界面粘合力提高,但同时也限制了纤维网络的形成,因此复合材料的拉伸强度随纤维含量的增加而相对缓慢地降低。此外,AF的加入有效地提高了NBR基复合材料的硬度和撕裂强度,有利于复合材料耐磨性的提高;RFL层的引入减少了摩擦过程中纤维的抽出,进而减轻了磨粒磨损,但对于复合材料的硬度和撕裂强度均具有一定的负面影响,不利于高载荷条件下的耐磨性。(3)基于(2)中的实验结果,证实未处理AF和RFL处理的AF(RFL-AF)的引入对复合材料性能各有优势。本部分中将总量为6 phr的未处理AF和RFLAF按一系列比例引入NBR基复合材料。随着未处理AF含量的增加,复合材料的拉伸强度和拉断伸长率先保持稳定后下降,而撕裂强度先提高后保持不变。耐磨试验结果表明,两种纤维对复合材料的耐磨性表现出协同作用;未处理AF/RFL-AF的比例为1:1时,复合材料的耐磨性最高,磨损机理为粘着磨损,这是由于其兼具高撕裂强度和与优良的纤维/基体粘附性。(4)将三种具有不同表面特性的低长径比(长度1 mm,直径12μm)的AF(即未处理的AF、AP、RFL-AF)分别引入NBR基体,探讨纤维的物理的表面处理方法(原纤化)和化学改性(RFL处理)对复合材料性能的影响。结果表明,柔性RFL层的引入改善了纤维/基体之间的粘合并缓和了界面的模量差,有利于低份数下的复合材料强度保持,而AF的原纤化有利于纤维形成物理网络,提高在高纤维份数时复合材料的强度。由于纤维长度较短,在摩擦过程中易于形成原纤加剧磨粒磨损,所以界面粘合最好的RFL-AF/NBR复合材料表现出最高耐磨性。
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