宋立,王鑫,趙頌,王磊,胡偉,秦萬寶,趙雄燕,3

(1.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018；2.河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院, 河北 石家莊 050091；3.河北省航空輕質(zhì)復(fù)合材料工程實驗室,河北 石家莊 050018)

丁腈橡膠(NBR)因分子中帶有獨特的氰基[1],使其耐油性、耐磨性、耐熱性等性能優(yōu)于其他品種的橡膠[2-4]。因此,NBR被人類廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域[5-6]。隨著科技的發(fā)展,人類對材料的要求越來越高,因此具有更高性能的、更能符合人類發(fā)展需求的高性能復(fù)合材料受到科研人員的廣泛重視[7-9]。丁腈橡膠/纖維復(fù)合材料相比于單純的丁腈橡膠,其綜合力學(xué)性能十分優(yōu)異,防穿刺性能強,是制備高性能抗穿刺材料的理想選擇。本實驗探索了纖維布種類、纖維布復(fù)合方式和粘合劑組成配方對丁腈橡膠/纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能與穿刺性能的影響,為今后制備高性能防穿刺橡膠復(fù)合材料提供一定的技術(shù)借鑒。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丁腈橡膠6280、環(huán)氧樹脂E-51、低分子量聚酰胺650、雙氰胺、疏芳綸纖維布(克重240 g/m2)、密芳綸纖維布(克重400 g/m2)、掛漿聚酯纖維布(克重280 g/m2)、厚聚酯纖維布(克重1 240 g/m2)均為工業(yè)品。

XSK-160開放式塑煉機；45 t平板硫化機；ETM-104C萬能拉力機；MDR-2000電腦型無轉(zhuǎn)子硫化儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 復(fù)合材料的制備 利用平板硫化機對橡膠混煉膠/纖維布復(fù)合材料進行硫化,制得橡膠/纖維復(fù)合材料。取適量混煉膠,分別與疏、密芳綸纖維布、掛漿聚酯纖維布、厚聚酯纖維布進行雙面單層復(fù)合(兩面膠,中間夾一層纖維布),和單側(cè)單層復(fù)合(一面是纖維布,一面是膠)。

1.2.2 性能檢測 按國家標準GB/T 528—1998、GB/T 529—1999、GB/T 529—1999和GB/T 20991—2007對復(fù)合材料的拉伸性能、撕裂性能、硬度和穿刺力進行性能檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維布種類對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.1.1 拉伸性能 純丁腈橡膠及其與不同纖維布組成的復(fù)合材料的拉伸性能,見圖1。

圖1 丁腈橡膠及復(fù)合材料的拉伸強度Fig.1 Tensile strength of nitrile rubber and its composites

由圖1可知,密芳綸布和厚聚酯布對橡膠基體有明顯的增強效果,使復(fù)合材料的拉伸強度顯著提高；而疏芳綸和掛漿聚酯與丁腈橡膠組成的復(fù)合材料的拉伸強度均低于純的丁腈橡膠,無明顯的增強效果。這主要是由于密芳綸布和厚聚酯纖維布的強度均高于純丁腈橡膠,作為增強材料復(fù)合到丁腈橡膠中可承擔(dān)復(fù)合材料承受的主要拉力,從而起到增強的效果。

2.1.2 斷裂伸長率 純丁腈橡膠及其與不同纖維布組成的復(fù)合材料的斷裂伸長率,見表1。

表1 丁腈橡膠及復(fù)合材料的扯斷伸長率Table 1 Elongation at break of nitrile rubber and its composites

由表1可知,復(fù)合材料的斷裂伸長率均低于純的橡膠基體。這主要是因為纖維是彈性較差的脆性材料,與橡膠復(fù)合后,限制了橡膠基體分子鏈的運動,從而導(dǎo)致復(fù)合材料的扯斷伸長率下降。而且纖維布的面密度越大,形變越困難,這也是厚聚酯復(fù)合材料斷裂伸長率最低的原因。

2.1.3 撕裂性能 純丁腈橡膠及其與不同纖維布構(gòu)成的復(fù)合材料的撕裂性能,見圖2。

圖2 丁腈橡膠及復(fù)合材料的撕裂強度Fig.2 Tear strength of nitrile rubber and its composites

由圖2可知,與純丁腈橡膠及其他復(fù)合材料相比,厚聚酯布對基體改性效果最為突出,撕裂強度提高近3倍,這是因為厚聚酯纖維布的面密度大、強度高且與基體橡膠的相容性較好,作為增強基體材料復(fù)合到丁腈橡膠中,可起到顯著的增強效果。

2.1.4 硬度 純丁腈橡膠及其與不同纖維布組成的復(fù)合材料的硬度,見圖3。

圖3 丁腈橡膠及復(fù)合材料的硬度Fig.3 Hardness of nitrile rubber and its composites

由圖3可知,纖維布對基體硬度有較大影響,這是因為纖維布的存在一方面限制了橡膠基體分子鏈的運動從而導(dǎo)致復(fù)合材料的彈性降低,硬度增大；另一方面,由于纖維占據(jù)一定體積,會使橡膠基體的體積比重降低,從而也會導(dǎo)致硬度提高。

2.2 纖維布的種類對復(fù)合材料抗穿刺性能的影響

由圖4可知,制備的4種纖維布復(fù)合材料中,厚聚酯纖維布的穿刺力最大。這主要是由于復(fù)合材料的防穿刺性能主要是由增強材料提供,厚聚酯布料的面密度大,布料密實其防穿刺能力也相應(yīng)提高。

圖4 不同種類纖維布復(fù)合材料的最大穿刺力Fig.4 Maximum puncture forces of different types of fiber cloth composites

2.3 粘合劑組成對復(fù)合材料抗穿刺性能的影響

為了進一步提高復(fù)合材料的抗穿刺性能,制備了4種環(huán)氧樹脂基粘合劑(見表2),用于提高厚聚酯纖維布與橡膠之間的粘結(jié)性能,從而達到提高抗穿刺的效果。

表2 環(huán)氧樹脂基粘合劑配方組成(份)Table 2 Epoxy resin adhesive formulation

圖5 不同粘合劑配方下復(fù)合材料的最大穿刺力Fig.5 Maximum puncture force of composites with different binder formulations

由圖5可知,使用粘合劑后,厚聚酯基復(fù)合材料的抗穿刺性能均有較大的提高,其中4號粘合劑配方對應(yīng)的復(fù)合材料的抗穿刺性能提高的更為明顯,其最大穿刺力達到了1.357 kN。這主要是由于低分子量聚酰胺作為固化劑時,會改善固化后環(huán)氧樹脂的韌性,一般來說加入的聚酰胺越多,復(fù)合材料的韌性越大,故其抗穿刺性能越好。

3 結(jié)論

研究了不同種類纖維布和粘合劑配方對丁腈橡膠/纖維復(fù)合材料力學(xué)性能及防穿刺性能的影響,通過性能測試與分析得出如下結(jié)論：

(1)纖維布種類對丁腈橡膠/纖維復(fù)合材料的性能有較大的影響,其中厚聚酯纖維布改性效果最佳,可顯著提高復(fù)合材料的拉伸強度、撕裂強度和抗穿刺性能。

(2)在橡膠和厚聚酯復(fù)合時使用粘合劑,可大幅度提高復(fù)合材料的抗穿刺性能,當(dāng)采用低分子量聚酰胺650作為環(huán)氧樹脂E-52固化劑時,復(fù)合材料的最大穿刺力可達1.357 kN。