纤维增强橡胶复合材料的生热特性研究

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短纤维增强橡胶(SFRR)是将纤维优异的物理化学性能与橡胶材料特有的弹性相结合,开发出一系列高性能橡胶制品,能在恶劣服役环境下提高制品使用寿命。纤维作为增强相具有分子量大、取向度高、添加量少等优点,但是其作为刚性材料,与橡胶基体粘接性差,纤维引入橡胶基体中会导致复合材料生热高,目前对于纤维/橡胶复合体系生热行为及机理的研究鲜有报道。本文选用大麻纤维、芳纶浆粕、天然橡胶、丁苯橡胶进行纤维/橡胶复合材料生热行为的研究,对大麻纤维采用碱处理、热氧化处理、硅烷处理与天然胶乳包覆,考察不同改性方式对大麻纤维/天然橡胶复合材料生热行为的影响,并对天然胶乳能够降低橡胶材料生热的作用机理进行探究,以及在保证橡胶复合材料一定的力学性能的基础上,使用不同含量的芳纶浆粕进行替代炭黑的低生热实验,尽可能地降低橡胶材料生热。主要内容包括以下几个方面:(1)对大麻纤维采用碱处理、热氧化处理、硅烷处理与天然胶乳包覆,进行硫化特性、橡胶加工分析、力学性能、扫描电镜图、橡胶压缩生热测试、疲劳性能分析。通过硫化特性分析得出大麻纤维经过改性后使混炼胶的交联密度提高。其中,经碱处理与天然胶乳包覆复合处理大麻纤维后,复合材料的交联密度最大。力学性能、橡胶加工分析仪、扫描电镜图得出碱处理的大麻纤维与天然橡胶的粘接性较好,对橡胶复合材料的增强作用较优。压缩生热实验、动态疲劳测试结果表明天然胶乳处理大麻纤维能够明显降低大麻纤维/天然橡胶复合材料的生热。(2)天然胶乳处理芳纶浆粕后,同样能够降低芳纶浆粕/天然橡胶复合材料的生热。通过压缩生热、疲劳滞后和DMA实验,对天然胶乳降低橡胶材料生热的机理进行分析。天然胶乳与橡胶基体间形成柔性界面层,在橡胶材料动态过程中产生了“形变转移”效应,使橡胶复合材料的整体生热降低。(3)进行了加入不同含量天然胶乳处理的芳纶浆粕进行替代炭黑的生热实验,并对力学性能、生热性能、拉伸断面扫描电镜分析,在保证复合材料强度的情况下,发现加入0.5phr芳纶浆粕,复合材料的生热最低,纤维低含量时在橡胶基体内的分散性好,纤维自身的内摩擦小。加入0.5phr芳纶浆粕可以替代CB-SBR体系中4phr炭黑,复合材料的100%定伸提升7.3%,300%定伸提升3.3%,生热从103.2°C降为92.4°C,降低了10.4%。
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