張 濤，成振宇

丁腈橡膠/石墨/PVC復合材料耐磨性能的研究

張 濤，成振宇

（太原工業(yè)學院材料與工程系，山西 太原 030008）

通過添加不同質量份數(shù)的PVC制備PVC/石墨/丁腈橡膠復合材料，考察復合材料的力學性能和耐磨性能。結果表明，隨著PVC添加量的增多，NBR/石墨復合材料的力學性能不斷提高，其摩擦因數(shù)和阿克隆磨耗均不斷降低。復合材料摩擦表面的SEM照片顯示，改性石墨與丁腈橡膠基體的相容性較好。

PVC；復配改性；石墨；耐磨性能

隨著橡膠產(chǎn)品的應用日益廣泛，對橡膠材料的力學性能和耐磨性能的要求也越來越高［1-2］。丁腈橡膠（NBR）是一種極性橡膠，在通用膠中，其耐油性能較好，大量用于制作油封［3］。降低NBR的摩擦系數(shù)可有效提高其耐磨性能，可以通過添加固體潤滑劑的方法來達到這一目的［4-5］。石墨作為最常見的一種固體潤滑劑，屬于片層結構，具有自潤滑性，可以起到減弱摩擦的作用［6］，為提高其與NBR的相容性，可以采用表面改性劑對石墨進行處理［7］。而為進一步提高NBR的耐磨性，同時添加一種耐磨性較好的有機聚合物對NBR/石墨復合材料進行耐磨改性的研究較少。

本文采用添加不同含量的PVC制備NBR/石墨復合材料，通過比較NBR/石墨復合材料的力學性能、阿克隆磨耗和復合材料摩擦表面的微觀形貌，考察PVC添加量對NBR/石墨復合材料耐磨性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

天然石墨，聚氯乙烯（PVC），丁腈橡膠NBR，丙烯腈（含量33%），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），硅烷偶聯(lián)劑（KH570）。

1.2 試驗方法

1.2.1 基本配方

本實驗的基本配方見表1。

表1 丁腈橡膠（NBR）的基本配方

1.2.2 有機改性石墨的制備

稱取一定質量的石墨和一定體積的無水乙醇，同時放入500mL的三口瓶中均勻分散，然后將三口燒瓶放置于80℃的恒溫水浴中，裝上冷凝回流裝置。首先將有機改性劑KH570加入三口燒瓶中，待反應12h后，添加第二有機改性劑CTAB。其中改性劑KH570和CTAB的質量比為1∶1。

1.2.3 PVC/石墨/NBR復合材料的制備

將丁腈橡膠在雙輥開煉機上進行塑煉，隨后分別按順序加入PVC、石墨及其他配合劑一起混煉，待混煉均勻后下輥，即得到丁腈橡膠/石墨/PVC混合物。在室溫條件下放置3h后，用橡膠硫化測試儀測試該混合物的硫化曲線，得出正硫化時間t90，然后在平板硫化機上進行硫化，最終得到丁腈橡膠/石墨/PVC復合材料。其中硫化條件為：160℃，15MPa，t90。

1.3 測試分析

紅外光譜（FTIR）分析：采用Tensor-27型紅外光譜分析儀測試石墨改性前后的紅外光譜圖。

X射線衍射（XRD）分析：采用TD-3700型X射線衍射儀表征石墨改性前后的X射線衍射（XRD）圖譜。測試條件：Cu靶，λ=0.154nm；管電壓：30kV，管電流：20mA；掃描角度范圍：10°～30°；掃描方式：連續(xù)掃描。

力學性能測試：按GB/T 531-1999在LX-A型橡膠硬度計上測試該復合材料的邵氏A型硬度。拉伸性能和撕裂強度分別按GB/T 528-1998和GB/ T 529-1999在TCS-2000型拉力試驗機上進行測試，拉伸速度為500mm·min-1。

摩擦性能：采用MMW-1型萬能摩擦磨損試驗機測試復合材料的摩擦因數(shù)。測試條件為：試驗載荷10N，轉速200r·min-1，待儀表上的摩擦力數(shù)值穩(wěn)定后讀數(shù)。采用GT-7012-A型阿克隆磨耗儀測試復合材料的阿克隆磨耗。具體步驟為：先預磨15min，將預磨后的試樣取下，稱重；然后繼續(xù)磨3417r，取下再稱重；最后計算出復合材料的阿克隆磨耗量。

電子掃描顯微鏡（SEM）分析： 采用KYKYEM3800 型電子掃描顯微鏡儀觀察復合材料的磨損表面形貌。

2 結果與討論

2.1 石墨的紅外光譜分析

圖1為改性前后石墨的紅外光譜圖。采用KH570/CTAB復配改性劑改性的石墨在3326cm-1處出現(xiàn)了-Si-O-OH中的羥基吸收峰，在2937 cm-1和2842cm-1附近均出現(xiàn)了亞甲基（-CH2-）和甲基（-CH3）的C-H伸縮振動吸收峰。說明經(jīng)過改性后，石墨表面接枝上了有機基團，使得石墨的親油性得到提高，將其與丁腈橡膠混合的過程中，有利于石墨在丁腈橡膠基體中分散，改善了其與丁腈橡膠分子間、丁腈橡膠-PVC間及石墨-PVC間的界面相容性。

圖1 石墨改性前后的紅外表征圖

2.2 丁腈橡膠/石墨/PVC復合材料的力學性能分析

2.2.1 PVC填充量對未改性NBR/石墨復合材料力學性能的影響

表1為PVC填充未改性石墨制備NBR/石墨復合材料的力學性能測試結果。由表1可知，隨著PVC添加量的增加，未改性石墨/NBR復合材料的力學性能得到不斷改善。從表1中可以看出，當PVC添加量為3份時，所制備的復合材料的拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率均達到最大。當PVC含量超過3份時，NBR/石墨/PVC復合材料的力學性能變化不明顯。

2.2.2 PVC填充量對改性NBR/石墨復合材料力學性能的影響

表2是PVC填充改性石墨制備NBR/石墨復合材料的力學性能測試結果。由表2可知，隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨/PVC復合材料的拉伸強度、撕裂強度、100%定伸強度、300%定伸強度、斷裂伸長率、硬度和永久變形都不斷提高。但是當PVC的用量大于3份時，NBR/石墨/PVC復合材料的斷裂伸長率和拉伸強度有所下降；而撕裂強度和邵氏硬度等基本保持不變。

表1 PVC填充未改性石墨制備NBR/石墨復合材料的力學性能

表2 PVC填充改性石墨制備NBR/石墨復合材料的力學性能

綜合表1和表2的數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)過有機改性后的石墨，NBR/石墨/PVC復合材料的力學性能相對比較優(yōu)異，并且隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨/PVC復合材料力學性能的提高幅度更大。說明經(jīng)過有機改性后，石墨與丁腈橡膠和PVC之間的相容性得到改善。

2.3 PVC/石墨/丁腈橡膠復合材料的耐磨性能分析

表3是通過添加不同含量的PVC制備NBR/石墨復合材料的摩擦系數(shù)。圖2是NBR/石墨復合材料的阿克隆磨耗隨著PVC添加量增加的變化趨勢，其中石墨的添加量均為10份。

由表3可知，隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨復合材料的摩擦系數(shù)不斷降低，與未添加PVC改性制備的NBR/石墨復合材料的摩擦系數(shù)相比下降了25%。圖2表明，隨著PVC添加量的增加，NBR/石墨復合材料的阿克隆磨耗也不斷下降。

表3 PVC填充改性石墨制備的NBR/石墨復合材料的摩擦系數(shù)

圖2 PVC填充改性石墨制備的NBR/石墨復合材料的阿克隆磨耗

我們從橡膠的摩擦特性可知，橡膠與固體物質之間的摩擦阻力可以看作是由兩部分組成的，如公式（1）：

即摩擦阻力等于摩擦表面分子相互接觸產(chǎn)生的粘附力Fa和由于壓入的微凸體使橡膠產(chǎn)生的滯后阻力Fh之和［8］。因此，硫化膠的摩擦因數(shù)取決于硫化膠的變形特性及硫化膠與對磨件之間的接觸面積、界面剪切強度等因素。實際的測試過程中，隨著PVC用量的增加，一是因為硫化膠的硬度不斷提高，接觸面積相對減少，產(chǎn)生的粘附力Fa就小，這對減小摩擦是有利的；二是因為對磨面間由于PVC的存在，也起到較大的減磨作用，硫化膠與對磨件之間的界面剪切強度越小，摩擦因數(shù)也就越小。

2.4 石墨/丁腈橡膠復合材料摩擦表面SEM分析

圖3 為分別添加 10份未改性和改性石墨制備的NBR/石墨/PVC復合材料的摩擦磨損表面SEM照片。由圖 3可以看出，添加未改性石墨所制備的復合材料的磨損表面有明顯的脫層、翹起和魚鱗紋存在，磨損情況較為嚴重；而添加改性石墨所制備的復合材料，磨損表面比較光滑， 翹起和魚鱗紋明顯減少。這證明了添加改性石墨所制備的復合材料有較低的摩擦系數(shù)，抗磨損能力較好。

圖3 石墨/NBR復合材料摩擦表面的SEM照片

3 結論

1）石墨的紅外光譜圖分析表明，經(jīng)過有機改性，石墨粉體顆粒成功地被有機改性劑KH570和CTAB所包覆。

2）在本研究范圍內，當PVC添加量為5份時，NBR/石墨/PVC復合材料的力學性能最好，摩擦因數(shù)和阿克隆磨耗也達到最低。

3）復合材料磨損表面的SEM照片顯示，改性石墨與丁腈橡膠的相容性得到改善，有利于提高復合材料的耐磨性能。

［1]楊漢祥，梁玉蓉，譚英杰，等. 石墨/二硫化鉬/丁腈橡膠復合材料的性能［J］. 合成橡膠工業(yè)，2013，36（3）：212-215.

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Study on Wear Resistance of NBR/Graphite/PVC Composites

ZHANG Tao， CHENG Zhen-yu
（Department of Materials Science and Engineering， Taiyuan Institute of Technology， Taiyuan 030008， China）

The PVC/Graphite/NBR composites was prepared with different quality copies of PVC， and the physical mechanical properties and wear resistance of composite materials were studied. The results showed that physical mechanical properties of PVC/ graphite/NBR composites was improved continuously， but the friction coefficient and Akron abrasion were all decreased with the increase of the PVC amount. The composites friction surface SEM photographs showed that the modified graphite and nitrile rubber matrix had good compatibility.

polyvinyl chloride； compound modification； graphite； wear resistance

TQ 333.6

A

1671-9905（2016）06-0023-04

張濤（1985-），男，河南商丘人，助教，主要從事橡膠基復合材料的研究工作，電話： 13753473395，E-mail： zhangtao8503@163.com

2016-04-14