于化龍 (中國石油大學 (北京) 克拉瑪依校區(qū)工學院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

隨著我國工業(yè)發(fā)展的進步，各類工業(yè)發(fā)展異軍突起，電力工業(yè)、汽車工業(yè)以及航空航天等領域廣泛應用橡膠材料：例如橡膠由于具有良好的絕緣特征，被廣泛用于電纜的絕緣保護套制作材料；由于具有較好的彈性、拉伸強度、抗撕裂等特性，多被用于汽車的輪胎制造、配件；耐高溫、耐摩擦、阻燃等特性，使橡膠材料成為備受航空航天行業(yè)青睞的、外部表面的理想制作材料。另外，由于具有良好的耐油性，作為油井專用材料、密封圈材料等橡膠的常見用途。凡此種種，本文不再一一列舉。文章主要探討橡膠與碳纖維結(jié)合產(chǎn)生的改性效果。

1 橡膠

1.1 橡膠的概念

橡膠是一種具有可逆形變的高彈性聚合物材料，在受力很小的情況下能產(chǎn)生較大的形變，外力消失后又能迅速恢復原狀，橡膠分子量巨大，是一種用途非常廣泛的材料，它主要是從三葉橡膠樹的膠乳中提取出來的，呈乳白色。天然橡膠的強度相對較低，抗撕裂性能差，需要對天然橡膠進行加工和處理，添加一些其他材料能有效提升橡膠的一些性能，諸如耐熱、抗寒、耐磨、抗靜電等，即成為合成橡膠。

1.2 合成橡膠的分類

橡膠有天然橡膠和合成橡膠之分，本研究僅針對合成橡膠進行探討。合成橡膠材料的成分更復雜，其具有的很多性能較天然橡膠大大增強，例如拉伸強度、耐熱、抗寒、耐磨、抗靜電等。根據(jù)添加材料的不同，合成橡膠可以分為很多種，常見的合成橡膠有丁腈橡膠材料、丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠等。不同復合材料合成的橡膠材料有各自的優(yōu)點和缺點，但總體而言，丁腈橡膠是目前用途最廣泛的橡膠之一。

由于丁腈橡膠具有彈性高、模量低、耐油性好、阻燃性強、耐老化好、氣密性強等優(yōu)點，在如汽車工業(yè)、石油工業(yè)、船舶工業(yè)、軍事后勤裝備等方面應用廣泛，本文僅以丁腈橡膠為例，探討不同材料的加入對橡膠相關機械性能的增強效果。

2 碳纖維的概念、特點、分類及應用

2.1 碳纖維的概念

碳纖維是一種含碳量非常高的高強度、高模量纖維，其最大的特點是耐高溫，在所有化學纖維中堪居首位。其原料一般是腈綸和粘膠，經(jīng)高溫、高氧碳化而成，含碳量高達90%，是一種不可多得的耐高溫材料，在許多關鍵領域發(fā)揮著重要作用，例如用于航天器等高技術(shù)器材設備的制作材料。

2.2 碳纖維的特點

碳纖維具有強度高、剛性大、耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，其質(zhì)地柔軟、外形呈現(xiàn)纖維狀，可作為各種織物的制作材料。由于碳纖維具有密度小、石墨微晶沿纖維軸擇優(yōu)的取向特點，因此具有很高的強度和模量。

2.3 碳纖維的分類

“碳纖維”實際上是多種碳纖維的總稱，具體可以根據(jù)不同的分類標準分為許多類。常見的有聚丙烯腈基、瀝青基及黏膠基這三類，又因原纖維種類、工藝及最終碳纖維性能等不同而被細分成許多品種。還有一些超高性能碳纖維，例如活性碳纖維、抗氧化碳纖維、中空碳纖維、低熱膨脹系數(shù)碳纖維、高導熱低電阻碳纖維等。碳纖維作為一種復合材料，其功能日益強大，應用日漸廣泛。

2.4 碳纖維主要的應用方向

碳纖維一般會作為增強材料，與橡膠、樹脂、金屬、陶瓷及炭等復合，制成性能優(yōu)越的復合材料，在一些高精尖領域發(fā)揮著重要作用，例如可作為飛機、火箭、防彈車等的制造材料。

3 碳纖維用于橡膠材料的優(yōu)勢

一直以來，人們對于碳纖維和橡膠材料的一些共性都倍加肯定，例如二者都具有的耐高溫、耐磨、抗撕裂等性能。人們猜想將二者結(jié)合起來會產(chǎn)生性能更好的材料，相應的研究成果也早就投入產(chǎn)品的開發(fā)。本研究提出猜想：將短碳纖維用于丁腈橡膠材料的改性，將能增強橡膠的耐磨和強度等機械性能。

4 短碳纖維含量對丁腈橡膠力學性能的影響

4.1 研究過程

本研究通過實驗的方式來展開討論。

4.1.1 材料

采用的原材料主要如下：丁腈橡膠 (中國石油蘭州石化公司)、短切碳纖維 (中復神鷹碳纖維有限責任公司)、硫磺 (昆山聯(lián)瑞橡塑有限公司)、硬脂酸 (上海宗龍化工有限公司)、氧化鋅 (上海祁聚化工有限公司)、二硫化四甲基秋蘭姆 (昆山聯(lián)瑞橡塑有限公司)、N-環(huán)己基-2-本駢噻唑次磺酰胺 (昆山聯(lián)瑞橡塑有限公司)、白碳黑 (上海祁聚化工有限公司)、碳酸鈣 (上海祁聚化工有限公司)[1]。

4.1.2 制備試樣

除碳纖維以外，將其他所有原料依次置于密煉機中進行密煉，密煉溫度范圍設定為95～105 ℃。在雙輥開煉機上，向密煉膠中添加不同量的碳纖維，根據(jù)碳纖維復合橡膠材料不同的取向程度，需要采用不同的混煉方法。

將混煉獲得的膠進行返煉，然后按照配比添加碳纖維，確保混煉均勻。

取適量混煉膠返煉，加入碳纖維，這次不需要打三角包和薄通處理，利用混煉機械設備的剪切力獲取碳纖維復合材料，即所謂的生料。把雙輥獲得的復合材料依照一定的方向剖開，一般是沿著壓延垂直剖開，就可得到垂直取向的碳纖維復合橡膠材料。

根據(jù)橡膠拉伸測試的要求，制備沒有硫化的碳纖維/丁腈橡膠復合材料等具有不同取向的拉伸試樣，將各自試樣置于電熱平板液壓機上進行硫化，分別獲得隨機、平行、垂直取向的3種碳纖維橡膠復合材料試樣。

4.2 性能測試

(1)使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)測試法，將試樣進行處理后置于電子顯微鏡 (日本日立S7 000)下對試樣的纖維取向進行觀測。

(2)進行幾項重要的機械性能測試，包括拉伸性能檢測、磨耗測試、摩擦系數(shù)測定。

通過檢測發(fā)現(xiàn)，碳纖維在丁腈橡膠中是隨機分布的，其間的結(jié)構(gòu)是互相交錯搭接的，這樣就形成了骨架材料，再與橡膠配合進而形成復合材料。本實驗采用的是取向混煉工藝，使得碳纖維在橡膠基體里的分散良好，大大提高了纖維的取向分布比例，結(jié)果表明其沿壓延方向取向程度得到顯著提高，達到了取向的效果[2]。

經(jīng)過雙輥混煉壓延后，復合材料的取向度都在50%以上，但是纖維含量的增加對于取向度的影響不夠顯著。推測主要是因為碳纖維的剛性特點導致其流動取向速度較橡膠材料慢，取向主要受后期不同混合煉的工藝方法影響。假定采用的混煉工藝一樣，那么碳纖維含量又由于自身柔軟的特性，與丁腈橡膠材料的結(jié)合不夠完美，導致實驗結(jié)果出現(xiàn)誤差。

4.2.1 碳纖維含量的不同，會顯著改變混煉橡膠材料的拉伸強度

碳纖維含量的不同，會導致混煉橡膠材料的拉伸強度產(chǎn)生較大的改變。實驗表明，增加碳纖維后，樣品的拉伸強度和拉斷伸長率隨著碳纖維硬度的增加而減小，原因是彈性變形性受到限制，位移減少，而又由于碳纖維柔軟的特征，橡膠材料300%定伸強度得到顯著提升。平行取向的碳纖維復合橡膠材料，表現(xiàn)出了良好的拉伸性能，其次是隨機取向的，強度最差的則為垂直取向的碳纖維復合材料，主要由于垂直取向降低了膠的基體強度[3]。顧名思義，隨機取向的碳纖維在復合材料中分布方向是隨機的。當纖維在橡膠材料中的取向為平行排列的時候，應力方向與纖維方向一致，由于碳纖維受到基體產(chǎn)生的剪切應力以及由該剪切應力引起的纖維軸向的拉伸應力，復合材料表現(xiàn)出更高的拉伸強度和拉斷伸長率。然而當沿著垂直方向取向時，纖維不但沒有起到增強作用，反而加大了纖維的拔出率，被視為橡膠基體的缺陷。在拉伸應力作用下，碳纖維從橡膠內(nèi)拔出，必然會使得應力集中，改變了橡膠材料拉伸的曲線趨勢，更為重要的是，如果集中點過多，很大可能會使復合材料發(fā)生斷裂。

4.2.2 添加碳纖維，會導致橡膠材料的抗撕裂性能下降

碳纖維的量必須控制在一定范圍內(nèi)，添加碳纖維，雖然增強了膠的基體強度，但是同時也降低了橡膠的彈性，使橡膠的撕裂應力增大，削弱碳纖維和膠的結(jié)合度，使得纖維拔出，缺少了碳纖維的硬度加持，自然就弱化了橡膠的基體強度，最終使得抗撕裂性能下降。

4.2.3 適量碳纖維的增加，可顯著提升橡膠基體的耐摩擦性能

摩擦實驗中，在設定室溫條件下，轉(zhuǎn)速為200 r/min，時間為10 min，對添加了不同含量碳纖維的橡膠材料進行摩擦實驗。由實驗結(jié)果可知，當加載的外力為16 N或者20 N時，此時的摩擦系數(shù)(M0)曲線較大；當加載力在20 N時，摩擦系數(shù)(M1)曲線趨近于平穩(wěn)摩擦系數(shù)，低于M0。分析對比可知，前者比后者的磨損量增加了近1.5倍[4]。由此可知，在丁腈橡膠中添加15份碳纖維能顯著減小膠的摩擦系數(shù)，降低膠的磨損量，從而大大提高膠的耐摩擦性能。

隨著實驗的推進，碳纖維的添加量對橡膠機械性能的作用愈加顯著，而不同的含量，會產(chǎn)生不同的效果，對橡膠材料機械性能的改變各有側(cè)重。

5 結(jié)語

隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，對碳纖維和橡膠材料的結(jié)合會更有針對性，能根據(jù)需要改良橡膠材料的性能。在平行取向的碳纖維橡膠材料中，磨耗和碳纖維耐摩擦性能加大，而隨機取向分布的以及垂直取向的橡膠復合材料磨耗先降低，后增大，而摩擦系數(shù)的加大與減小與磨耗的變化恰恰相反，是先增加，后減少的。合理增加碳纖維能有效增強橡膠的耐摩擦性、降低橡膠材料的拉伸強度、降低橡膠材料的抗撕裂性能。

總而言之，盡管添加碳纖維對橡膠材料顯著的改性效果，在進行橡膠材料的復合研究時，也需要注意控制碳纖維的含量以及其對應的加載力取向。