芳纶浆粕预处理技术及其增强橡胶复合材料结构性能应用的研究

论文摘要

由刚性分子链形成的高结晶度、高取向度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（对位芳纶纤维）具有高模量、高强度、耐高温、耐磨、耐化学腐蚀、尺寸稳定等优异性能,芳纶浆粕是近年来发展起来的对位芳纶纤维表面原纤化的一种短纤维产品。通过对芳纶浆粕纤维及其增强橡胶复合材料微观结构形态的系统研究,发现芳纶浆粕具有非常独特的微／纳米短纤维微观结构：芳纶浆粕主干纤维表面松散附着大量超细纤维,这些超细纤维是由主干纤维表面劈裂原纤化制得的,呈扁平带状,纤维轴向尾端成针尖状,其直径大多在0.1～1微米之间,长度大多在200微米以下,形状系数大多在50-500之间：主干纤维直径在10微米左右,长度在1～3mm之间,主干纤维本身粗细很不均匀,表面较粗糙,端面呈树权结构,容易劈裂而进一步原纤化。芳纶浆粕纤维具有表面粗糙、纤维轴向尾端呈针尖或树杈状、纤维表面含有极性基团、形状系数高、纤维拉伸模量高且韧性好、耐高温等结构特点,决定了芳纶浆粕纤维与橡胶基质之间可能会形成良好的界面结合作用,芳纶浆粕纤维增强橡胶复合材料微观结构与宏观性能的关系也将呈现独特之处。针对芳纶浆粕独特的超细短纤维微观结构和纤维比表面积巨大、表面极性基团多、静电倾向大的特征,对芳纶浆粕纤维表面预分散处理技术进行了系统的研究,发明了基于润滑渗透隔离原理的“芳纶浆粕预处理方法”并申请了中国发明专利（中国专利申请号：ZL200510083844.8）；利用该专利申请方法对芳纶浆粕纤维表面进行改性预分散处理,能可控得到在橡胶基质中纤维分散程度不同的芳纶浆粕预分散体,这些芳纶浆粕预分散体是一种性能优异的橡胶模量增强改性材料,芳纶浆粕预分散体在橡胶工业中的应用,必将促进短纤维增强橡胶新技术的发展。借助于高分辨率的环境扫描电镜考察了芳纶浆粕纤维预分散改性前后表面微观结构形貌特征,以及芳纶浆粕纤维增强的橡胶复合材料中芳纶浆粕纤维的微观分步状况,同时通过复合材料拉伸应力应变特性的宏观力学性能测试,验证了基于“润滑渗透隔离”原理的“芳纶浆粕预处理方法”专利技术的有效性。研究结果表明,与未处理的芳纶浆粕相比,芳纶浆粕预分散体对氯丁橡胶基质的增强效率提高近100%,对三元乙丙基质的增强效率提高近60%。详尽研究了芳纶浆粕纤维增强氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、氢化丁腈橡胶、天然橡胶/顺丁橡胶等基质橡胶复合材料微观结构和宏观性能的关系,首次提出了芳纶浆粕超细纤维在基质橡胶中良好的分散性、伸展性、取向性是芳纶浆粕增强橡胶的决定性因素的增强机理。通过复合材料混炼工艺性能和加工性能的研究,证明了芳纶浆粕纤维增强橡胶复合材料具有良好的加工性能,尤其好于传统的有机短切纤维（尼龙、聚酯、芳纶等）,芳纶浆粕纤维增强的橡胶复合材料具有良好的模量—加工粘度平衡效应,也即随着芳纶浆粕纤维用量增加,复合材料的模量增加明显,但其加工粘度变化不大。全面系统研究了DuPont和Teijing Twaron二大国外生产商和上海东华大学依极科技公司生产的七种不同规格型号的芳纶浆粕产品的微观结构及其增强性能,研究结果表明,芳纶浆粕的比表面积越大,其增强性能越好；不同品种芳纶浆粕超细纤维的伸展性和取向性不尽相同,因而对橡胶的增强作用不尽相同,其增强的橡胶复合材料的各向异性差别明显,从而可以针对不同的性能要求,来选择相应品种的芳纶浆粕产品。对比研究了芳纶浆粕超细纤维与传统的表面光滑、直径在微米级的有机短切纤维（尼龙、聚酯、芳纶等）对橡胶基质的增强特性,借助于微观结构形态考察和分析,发现芳纶浆粕超细纤维相比于有机短切纤维,与橡胶基质之间具有更好的界面结合。通过低纤维用量下芳纶浆粕预分散体增强橡胶复合材料拉伸应力—应变行为的研究,发现分散良好的芳纶浆粕纤维具有高效率的模量增强特性,仅仅加入3份芳纶浆粕纤维,就能将氯丁橡胶复合材料25%小形变的拉伸应力提高近600%,同时还降低了复合材料的动态滞后生热,芳纶浆粕预分散体增强橡胶具有非常有利的“模量—滞后平衡效应”；芳纶浆粕预分散体是一种性能优异的橡胶模量增强材料,这使得芳纶浆粕纤维可以广泛应用于各种橡胶制品的模量改性。通过对芳纶浆粕预分散体增强橡胶复合材料高温力学性能的研究,发现相比于传统的尼龙短纤维,芳纶浆粕纤维增强的橡胶复合材料具有更好的高温力学性能,芳纶浆粕超细纤维在高温下不仅仍然具有很高的模量建立效率,而且还能改善复合材料的高温强度,仅仅加入3份芳纶浆粕纤维,就能将氯丁橡胶复合材料110℃高温下的25%定伸应力提高近400%,高温拉伸强度也提高近50%。芳纶浆粕纤维的这种高温增强特性,使得芳纶浆粕纤维特别适合于耐热三元乙丙橡胶多楔带、耐高温耐油氢化丁腈橡胶封隔器胶筒、坦克履带着地胶等特种耐热橡胶制品的增强改性。与无锡贝尔特胶带有限责任公司合作研究了芳纶浆粕预分散体在氯丁橡胶基摩托车变速V带底胶和粘合胶中的应用,芳纶浆粕超细纤维的加入改善了粘合胶与底胶的模量匹配性,同时对其粘合性能无不利影响；相比于原V带底胶采用的尼龙短纤维,芳纶浆粕纤维增强的胶料具有更好的机械力学性能、高温工作性能和动态力学性能,研究结果表明,采用含5份芳纶浆粕纤维的芳纶浆粕预分散体代替20份尼龙66短纤维用于V带底胶的增强改性,可以将V带疲劳寿命由105小时提高到196小时；采用含1.7份芳纶浆粕纤维的芳纶浆粕预分散体增强改性V带粘合胶,可以将V带疲劳寿命由158小时提高到185小时。最终产品V带的台架疲劳寿命证明了芳纶浆粕超细纤维对传动带粘合胶和底胶改性的优势。与北京首创轮胎公司合作进行了芳纶浆粕预分散体在天然橡胶/顺丁橡胶基轮胎胎面胶中的应用研究,试图改善胎面的耐磨性和动态生热性,降低滚动阻力,为将来芳纶浆粕纤维应用于高性能轮胎和旧轮胎翻新领域进行一些基础技术研究。研究结果表明,芳纶浆粕纤维对该胎面胶胶料具有很高的增强效率,加入3份芳纶浆粕纤维,就能将该胎面胶纤维取向方向20%形变的拉伸模量提高近200%,同时复合材料60℃的动态滞后生热有所降低,0℃的动态滞后因子有所提高；低纤维用量的芳纶浆粕预分散体增强的天然橡胶/顺丁橡胶复合材料比较适合于轮胎胎面胶的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要英文縮写符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 芳纶浆粕纤维增强橡胶复合材料的研究进展
• 1.2.1 短纤维增强橡胶复合材料的开发和应用
• 1.2.2 短纤维预处理技术的研究
• 1.2.3 短纤维增强橡胶复合材料结构与性能的研究
• 1.2.4 芳纶浆粕的结构、性能及其应用
• 1.3 关于本课题研究工作情况
• 1.4 论文选题的目的和意义
• 1.5 创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原材料及配方
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 实验配方
• 2.2 实验设备及测试仪器
• 2.3 实验工艺
• 2.3.1 芳纶浆粕预分散体的制备方法
• 2.3.2 芳纶浆粕增强橡胶复合材料的混炼工艺说明
• 2.3.3 干混—胶乳共沉预处理方法（LDM处理法）
• 2.3.4 干混—浸渍预处理方法（DDM处理法）
• 2.3.5 干混-润滑渗透隔离预处理方法（SLP法）
• 2.4 性能测试及表征
• 2.4.1 硫化胶常规性能测试
• 2.4.2 硫化胶的动态力学性能测试
• 2.4.3 硫化胶高温拉伸力学性能测试
• 2.4.4 复合材料微观结构形态测试
• 2.4.5 加工性能测试
• 第三章 试验结果与讨论
• 3.1 芳论浆相纤维表面改性预处理技术的研究
• 3.1.1 前言
• 3.1.2 芳纶浆粕预处理方法的探讨
• 3.1.3 干粉混合“润滑渗透隔离”预处理方法的原理
• 3.1.4 芳纶浆粕纤维的微观结构特征分析
• 3.1.5 AP/CR的混炼工艺及AP纤维在CR基质中的宏观分散性能
• 3.1.6 AP/CR混炼胶的加工性能
• 3.1.7 AP/CR复合材料小形变下的应力-应变特性
• 3.1.8 AP/CR复合材料的动态力学性能
• 3.1.9 AP/CR复合材料的微观结构形态
• 3.1.10 阶段结论
• 3.2 芳纶浆粕纤维对氯丁橡胶基质增强机理的探讨
• 3.2.1 前言
• 3.2.2 芳纶浆粕纤维的微观结构形态分析
• 3.2.3 芳纶浆粕增强氯丁橡胶复合材料的微观结构形态研究
• 3.2.4 芳纶浆粕/氯丁橡胶复合材料拉伸力学性能的研究
• 3.2.5 芳纶浆粕纤维对氯丁橡胶基质增强机理的探讨
• 3.2.6 阶段结论
• 3.3 芳纶浆粕纤维对氯丁橡胶基质增强特性的研究
• 3.3.1 前言
• 3.3.2 不同品种芳纶浆粕纤维对CR基质增强特性的比较
• 3.3.3 不同品种芳纶浆粕纤维及其增强CR复合材料的微观结构形态考察
• 3.3.4 不同AP纤维分散性能的芳纶浆粕增强CR复合材料的宏观力学性能和微观结构形态
• 3.3.5 AP纤维用量对复合材料力学性能和加工性能的影响
• 3.3.6 阶段结论
• 3.4 芳纶浆粕纤维增强三元乙丙橡胶复合材料结构与性能的研究
• 3.4.0 前言
• 3.4.1 不同分散性的芳纶浆粕纤维增强EPDM复合材料的微观结构与拉伸力学性能
• 3.4.2 不同品种的芳纶浆粕预分散体对EPDM基质增强性能的比较
• 3.4.3 纤维用量对HAP/FS30/EPDM复合材料力学性能的影响
• 3.4.4 芳纶浆粕纤维用量对HAP201/SILICA30/EPDM复合材料力学性能的影响
• 3.4.5 阶段结论
• 3.5 芳纶浆粕纤维增强氢化丁腈橡胶复合材料结构与性能的研究
• 3.5.1 前言
• 3.5.2 HAP/HNBR复合材料的微观结构形态
• 3.5.3 HAP/HNBR复合材料不同温度下的机械力学性能
• 3.5.4 HAP/HNBR复合材料的动态力学性能
• 3.5.5 HAP/HNBR复合材料加工性能的研究
• 3.5.6 阶段结论
• 3.6 芳纶浆粕纤维在氯丁橡胶基摩托车变速V带中的应用研究
• 3.6.1 前言
• 3.6.2 芳纶浆粕纤维以及V带底胶的微观结构形态分析
• 3.6.3 V带底胶和粘合胶的静态拉伸应力—应变特性的研究
• 3.6.4. V带底胶和粘合胶的动态力学性能研究
• 3.6.5 V带底胶和粘合胶胶料加工流动性能的比较
• 3.6.6 V带的台架疲劳寿命试验结果以及综合分析
• 3.6.7 阶段结论
• 3.7 芳纶浆粕在天然橡胶/顺丁橡胶基轮胎胎面胶中的应用研究
• 3.7.1 前言
• 3.7.2 复合材料微观结构形态的考察
• 3.7.3 复合材料加工性能的研究
• 3.7.4 复合材料拉伸力学性能的研究
• 3.7.5 复合材料撕裂性能的研究
• 3.7.6 复合材料的动态力学性能
• 3.7.7 阶段结论
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介