王 強(qiáng)，齊英杰

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

碳纖維作為一種高性能纖維材料，具有高比模量、高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻射、導(dǎo)電、傳熱、減震和降噪等一系列優(yōu)異性能，在先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體中占據(jù)越來(lái)越重要的位置，被譽(yù)為21世紀(jì)最有生命力的新型材料.碳纖維通常不直接使用，大多是在復(fù)合材料中作增強(qiáng)材料.碳纖維可用來(lái)增強(qiáng)樹(shù)脂、陶瓷、水泥、橡膠和金屬等材料［1］.近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)高性能橡膠基復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)成為研究熱點(diǎn)之一.張華知等［2］進(jìn)行了螺旋納米碳纖維對(duì)天然橡膠補(bǔ)強(qiáng)性能的研究，結(jié)果表明:螺旋納米碳纖維與天然橡膠的結(jié)合膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，對(duì)橡膠具有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用.陶慧等［3］進(jìn)行了碳纖維的表面改性對(duì)導(dǎo)熱順丁橡膠性能的影響研究，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)高溫氧化后的碳纖維填充橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能大大提高.大量文獻(xiàn)資料表明:碳纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的性能顯著優(yōu)于純橡膠制品，但對(duì)碳纖維增強(qiáng)翻新輪胎胎面橡膠的性能研究，國(guó)內(nèi)外目前未見(jiàn)成果發(fā)表.近年來(lái)，我國(guó)工程車(chē)輛輪胎翻新行業(yè)發(fā)展極其迅速，然而輪胎翻新質(zhì)量參差不齊，且工程車(chē)輛翻新輪胎的工作環(huán)境比較苛刻，經(jīng)常在路況較差的工礦區(qū)或山地上行駛，在作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)胎面橡膠崩花掉塊、易被刺扎和磨耗快等問(wèn)題，使用壽命低［4］.為了有效解決上述問(wèn)題，筆者將碳纖維材料作為增強(qiáng)體，工程車(chē)輛翻新輪胎胎面橡膠材料作為基體，在胎面膠料中添加適當(dāng)長(zhǎng)度及適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維，制備碳纖維/胎面橡膠復(fù)合材料，通過(guò)分析碳纖維與胎面橡膠界面的黏合狀態(tài)及進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，研究碳纖維的不同長(zhǎng)度規(guī)格、不同用量，對(duì)工程車(chē)輛翻新輪胎胎面橡膠材料性能影響規(guī)律，將碳纖維的剛性和橡膠膠料的柔性有機(jī)結(jié)合在一起，使其形成能夠承受外力載荷的整體，使復(fù)合胎面既保持橡膠獨(dú)特的高彈性，又顯著提高復(fù)合胎面橡膠的物理機(jī)械性能.

1 試驗(yàn)部分

1.1 碳纖維增強(qiáng)工程車(chē)輛翻新輪胎胎面配方設(shè)計(jì)

纖維增強(qiáng)工程車(chē)輛翻新輪胎胎面配方組成［5-7］為:各配方組成按質(zhì)量份計(jì)算，天然橡膠/丁苯橡膠質(zhì)量份比例為65:35;白炭黑質(zhì)量份為10.0;炭黑N231質(zhì)量份為40.0;硬脂酸質(zhì)量份為2.0;氧化鋅ZnO質(zhì)量份為5.0;防老劑WH-02質(zhì)量份為2.0;助劑HNZ質(zhì)量份為1.6;WK-901質(zhì)量份為1.5;芳烴油X-140質(zhì)量份為3.0;防臭氧蠟質(zhì)量份為0.4;促進(jìn)劑NS質(zhì)量份為1.6;增黏劑C501質(zhì)量份為2.0;碳纖維由南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)度分別為4，6，10 mm 3種不同規(guī)格，每種規(guī)格下其添加的質(zhì)量份分別為3.5，7.1，12.7，18.9.為了后續(xù)不同含量下碳纖維的性能對(duì)比試驗(yàn)研究，碳纖維的質(zhì)量份對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，4%，7%，10%.

1.2 碳纖維與翻新輪胎胎面橡膠復(fù)合的混煉工藝

碳纖維以5%環(huán)氧異氰酸酯的甲苯溶液浸漬，在200℃條件下干燥1 min，再用10%的橡膠糊進(jìn)行涂層，并在160℃下干燥2 min，然后在110℃左右與加入增黏劑C501的胎面橡膠混煉.混煉操作在19.98 cm的雙輥密煉機(jī)上進(jìn)行，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，首先將生橡膠加入密煉機(jī)中塑煉4 min，然后加入包括短碳纖維的其他配合劑再混煉15 min，當(dāng)混煉膠溫度降至約60℃，壓延成2～4 mm厚薄片，然后下片在25 t電熱平板硫化機(jī)上硫化20 min，硫化溫度為140℃，硫化壓力為5 MPa，硫化深度應(yīng)保證胎面中部達(dá)到正硫化點(diǎn)，其制備工藝流程如圖1所示［8-10］.

圖1 碳纖維增強(qiáng)胎面橡膠制備工藝流程

1.3 性能測(cè)試設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)

拉伸試驗(yàn)使用TH-5000系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 528—2009和 GB/T 529—2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試;硬度試驗(yàn)使用LX-A邵爾硬度計(jì)，按照J(rèn)JG 304—89標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試;磨耗指數(shù)試驗(yàn)使用TH-7041阿克隆磨耗機(jī)，按照GB/T 1689標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試;回彈性試驗(yàn)使用 TH-7044沖擊彈性試驗(yàn)機(jī)，按照 GB/T 1681—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試.每個(gè)樣品均測(cè)定3次取平均值.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碳纖維與胎面橡膠界面黏合狀態(tài)分析

利用掃描電鏡將碳纖維與胎面橡膠結(jié)合界面放大200倍，如圖2所示.

圖2 顯微鏡下碳纖維與胎面橡膠黏合狀態(tài)

觀察結(jié)果表明:部分碳纖維在劇烈的混煉中變短，甚至被破碎，但碳纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)基本上保持不變，在橡膠膠料基體中分散基本均勻，二者界面的黏合狀態(tài)較好，碳纖維發(fā)揮了一定的增強(qiáng)作用.分析其原因:添加的增黏劑C501與橡膠基體的溶解度參數(shù)相近，在適當(dāng)?shù)幕鞜掁D(zhuǎn)速、混煉溫度及混煉時(shí)間條件下，充滿碳纖維的內(nèi)部空隙以及碳纖維與橡膠膠料之間的空隙，在碳纖維與橡膠基體間架起了“橋梁”作用，同時(shí)，碳纖維經(jīng)過(guò)5%聚二苯基甲烷二異氰酸酯的甲苯溶液浸漬后，其表面活性官能團(tuán)增多，在增黏劑C501的促進(jìn)下，與橡膠基體快速黏結(jié)并纏繞，由于應(yīng)力的作用，橡膠和增黏劑C501大分子產(chǎn)生形變，引發(fā)裂解，在生成大分子自由基的同時(shí)，產(chǎn)生自身力活化效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)加速橡膠基體、增黏劑和碳纖維三者之間的交聯(lián)反應(yīng)，會(huì)大大提高碳纖維與胎面橡膠的黏合強(qiáng)度.

2.2 性能測(cè)試結(jié)果分析

長(zhǎng)分別為4，6，10 mm的碳纖維增強(qiáng)胎面分別用4#試樣、6#試樣及10#試樣代表.

1)碳纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，4%，7%，10%時(shí)的抗拉強(qiáng)度及撕裂強(qiáng)度如圖3，4所示.

圖3 碳纖維不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的抗拉強(qiáng)度

圖4 碳纖維不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的撕裂強(qiáng)度

從圖3，4可以看出:4#試樣、6#試樣及 10#號(hào)試樣隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，其先增大再減小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本位于碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的位置.考察抗拉強(qiáng)度:其中4#試樣，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加到10%，其抗拉強(qiáng)度從17.12 MPa增至29.45 MPa，并未出現(xiàn)下降趨勢(shì);6#試樣和10#試樣，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加到7%，其抗拉強(qiáng)度約從18.36 MPa增至36.16 MPa，隨后當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7%增加到10%時(shí)，其6#試樣的抗拉強(qiáng)度約從36.16 MPa下降到34.28 MPa，而10#試樣的抗拉強(qiáng)度約從36.12 MPa下降到32.13 MPa，下降幅度較大.考察撕裂強(qiáng)度:4#試樣，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加到7%，其撕裂強(qiáng)度從44.83 kN·m-1增至53.25 kN·m-1，然后再下降到 51.95 kN·m-1，6#試樣和10#試樣撕裂強(qiáng)度分別從44.26 kN·m-1增至56.13 kN·m-1，從44.45 kN·m-1增至54.56 kN·m-1，然后分別下降到55.28 kN·m-1和52.65 kN·m-1，其下降幅度不是很大.以上說(shuō)明，不同長(zhǎng)度的碳纖維增強(qiáng)體、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，對(duì)胎面橡膠抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度的影響程度是不同的，其中6#試樣在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均達(dá)到了1個(gè)較大值.分析其原因:碳纖維在橡膠基體中處于分散狀態(tài)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，橡膠處于受力的主導(dǎo)地位.當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加時(shí)，碳纖維相互搭接在一起，形成“加強(qiáng)筋”的骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)橡膠高分子起到了很好的阻礙作用，其橡膠的受力主導(dǎo)地位開(kāi)始向碳纖維轉(zhuǎn)移，并且在碳纖維骨架的兩端與橡膠結(jié)合的部位產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其應(yīng)力集中的重疊區(qū)域越大.因此，試樣受到拉伸和撕裂時(shí)，容易在碳纖維與橡膠形成的應(yīng)力集中部位引發(fā)破壞，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度下降.此外，相互搭接的碳纖維數(shù)目越多，其整體與橡膠的黏結(jié)力越為削弱，同樣會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度及撕裂強(qiáng)度會(huì)有所下降.

2)碳纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，4%，7%，10%時(shí)的彈性模量及拉斷伸長(zhǎng)率如圖5，6所示.

圖5 碳纖維不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的彈性模量

圖6 碳纖維不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的拉斷伸長(zhǎng)率

從圖5，6可以看出:4#試樣、6#試樣及 10#試樣都隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其彈性模量增加，增大趨勢(shì)非常明顯，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加到10%，3種試樣的彈性模量增幅分別為5.92，7.93，8.72 MPa;4#試樣、6#試樣及10#試樣都隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其拉斷伸長(zhǎng)率降低，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加到10%，3種試樣的拉斷伸長(zhǎng)率降幅分別為51.27%，51.41%及36.23%;彈性模量和拉斷伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)具有一定的規(guī)律性.以上說(shuō)明，不同長(zhǎng)度的碳纖維增強(qiáng)體、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)胎面橡膠彈性模量和拉斷伸長(zhǎng)率的影響程度是不同的，其影響規(guī)律:6#試樣及10#試樣(即碳纖維長(zhǎng)度在6，10 mm時(shí))對(duì)胎面橡膠的彈性模量和拉斷伸長(zhǎng)率的影響比4#試樣(碳纖維長(zhǎng)度為4 mm)大.分析其原因:隨著碳纖維長(zhǎng)度的增加，碳纖維相互搭接成剛性體與橡膠黏合，其彈性模量的測(cè)試值主要取決于碳纖維搭接部分的強(qiáng)度，因此彈性模量會(huì)隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大.相反，碳纖維搭接成剛性體的程度越大，在拉伸時(shí)，其表現(xiàn)出的彈性越弱、剛性越明顯，因此其拉斷伸長(zhǎng)率隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小.

3)碳纖維在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，4%，7%，10%時(shí)的回彈性、硬度和耐磨耗指數(shù)如圖7-9所示.

圖8 碳纖維不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的硬度

圖9 碳纖維不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的耐磨耗指數(shù)

從圖7-9可以看出:4#試樣、6#試樣及10#試樣隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其回彈性下降，但是下降規(guī)律不夠明顯，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%左右時(shí)，6#試樣的回彈值約為11.52%，為3種試樣中最小值;隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其硬度上升，但是3種試樣的規(guī)律不同，其中4#試樣的硬度當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，對(duì)硬度的影響并不明顯，隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硬度開(kāi)始近似線性地增大，而6#試樣及10#試樣隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其硬度近似線性地增大，但是當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7%左右以后，其硬度增大趨勢(shì)并不明顯;4#試樣、6#試樣及10#試樣隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其耐磨耗指數(shù)均減小，減小趨勢(shì)較明顯，在碳纖維相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，6#試樣的耐磨耗指數(shù)最小，且6#試樣及10#試樣當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%左右以后耐磨耗指數(shù)開(kāi)始上升.分析其原因:回彈性、硬度及耐磨耗指數(shù)測(cè)試均為測(cè)量胎面橡膠的表面，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，胎面橡膠表面層的碳纖維分布較多，由于碳纖維的高強(qiáng)度、高模量、高硬度及高耐磨，導(dǎo)致其回彈性降低、硬度增大及耐磨耗指數(shù)減小，當(dāng)碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定量時(shí)，其胎面表面的硬度受碳纖維的影響較大，因此硬度會(huì)維持到一定值而保持不變;當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7%以后，由于碳纖維結(jié)集在胎面表面部分的量較大，在阿克隆磨耗時(shí)，在摩擦力的作用下，相互搭接在一起的碳纖維更容易從橡膠基體中被剝離出來(lái)，因此會(huì)導(dǎo)致磨耗指數(shù)上升.

3 結(jié)論

1)不同長(zhǎng)度、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維增強(qiáng)材料對(duì)工程輪胎胎面膠的性能會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，其總體上對(duì)胎面膠起到了很好的增強(qiáng)作用.

2)隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，工程輪胎胎面抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中在碳纖維長(zhǎng)度為6 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%的情況下，抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，說(shuō)明碳纖維增強(qiáng)效果最為明顯.

3)隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，工程輪胎胎面彈性模量一直增大，回彈性一直減少.當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%左右時(shí)，硬度能夠達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值而后基本保持不變.耐磨性會(huì)先減小而后增大，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)同樣在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%左右.

4)綜上，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度在6 mm左右、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%左右時(shí)，對(duì)工程翻新輪胎胎面橡膠的增強(qiáng)效果最為理想，碳纖維增強(qiáng)后的工程翻新輪胎使用壽命大大提高.

References)

［1］Sun Yuli，Zuo Dunwen，Cao Lianjing，et al.Characterization of carbon fiber reinforced resin composites by the nanoindentation technique［J］.Proc of SPIE，2013，8793:1-6.

［2］張華知，陳 建，龔 勇，等.螺旋納米碳纖維對(duì)天然橡膠補(bǔ)強(qiáng)性能的研究［J］.彈性體，2014，24(1):6-8.

Zhang Huazhi，Chen Jian，Gong Yong，et al.Effect of helical carbon nonofibers on the properties of reinforcing nataral rubber［J］.China Elastomerics，2014，24(1):6-8.(in Chinese)

［3］陶 慧，陳雙俊，張 軍.碳纖維的表面改性對(duì)導(dǎo)熱順丁橡膠性能的影響［J］.彈性體，2012，22(3):37-42.

Tao Hui，Chen Shuangjun，Zhang Jun.Surface modification of carbon fiber and its effect on thermal conductivity of butadiene rubber［J］.China Elastomerics，2012，22(3):37-42.(in Chinese)

［4］Corti A，Lombardi L.End life tyres:alternative final disposal processes compared by LCA［J］.Energy，2004，29:2089-2108.

［5］Dabic'-Ostojic'S，Milju? M，Bojovic'N，et al.Applying a mathematical approach to improve the tire retreading process［J］.Conservation and Recycling，2014，86:107-117.

［6］Xie Zhiyong，Jin Guyin，Zhang Min，et al.Improved properties of carbon fiber paper as electrode for fuel cell by coating pyrocarbon via CVD method［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2010，20(8):1412-1417.

［7］Toopchi-Nezhad H，Tait M J，Drysdale R G.Testing and modeling of square carbon fiber-reinforced elastomeric seismic isolators［J］.Struct Control Health Monit，2008，15:876-900.

［8］徐 穎，周 華，程先華.碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料的摩擦磨損性能［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，32(2):167-170.

Xu Ying，Zhou Hua，Cheng Xianhua.Friction and wear behavior of thermoplastic polyimide reinforced with carbon fiber［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2011，32(2):167-170.(in Chinese)

［9］汪傳生，張德偉，邊慧光.混煉參數(shù)對(duì)短纖維-橡膠復(fù)合材料性能的影響［J］.功能材料，2011，42(8):1448-1451.

Wang Chuansheng， Zhang Dewei， BianHuiguang.Effects of mixing parameters on properties of short fiberrubber composite material［J］.Functional Materials，2011，42(8):1448-1451.(in Chinese)

［10］武衛(wèi)莉，張 晶.廢輪胎粉/植物纖維復(fù)合材料的制備及性能［J］.紙和造紙，2013，32(7):40-42.

Wu Weili，Zhang Jing.Preparation of waste tire powder/plant fiber composites and its property［J］.Paper and Manufacture of Paper，2013，32(7):40-42.(in Chinese)