以氯丁橡胶(CR)作为基料，碳纤维作为填充物，研究5 mm碳纤维(CF)加入氯丁橡胶的力学性能、老化性能和阿克隆磨耗性能的变化。在氯丁橡胶母炼胶(CR 100份，ZnO 5份，MgO 4份，SA 1份，DM 0.5份，NA-22 2份)基础上分别填充不同量的CF (0，5，10，15，20，25份)制备复合橡胶材料，并对此材料进行力学、老化和磨耗性能的测试。结果表明CF对CR的性能具有较大的影响，随着碳纤维的加入橡胶的邵氏A硬度、300%定伸应力和撕裂强度提高，尤其是复合材料具有优异的耐热老化性能，硬度、拉伸强度、撕裂强度、定伸应力均增加。而阿克隆磨耗性能随碳纤维量(5~25份)的从增加呈下降趋势。 The effect of 5 mm carbon fibers (CF) on the mechanical and hot-oxygen aging properties, and Akron abrasion performance of chloroprene rubber (CR) has been studied in this paper. Rubber composites were prepared with CF varying from 0, 5, 10, 15, 20, and 25 phr based on the rubber blend of CR (CR 100 phr, ZnO 5 phr, MgO 4 phr, SA 1 phr, DM 0.5 phr, NA-22 2 phr). Their properties including physical and mechanical strength, thermal aging performance and akron abrasion loss were tested. The results show that CF has great effect on the properties of CR. With the addition of CF, the Shore A hardness, 300% modulus and tear strength increase. Especially, rubber composites with CF have good thermal aging resistance, hardness, tensile strength, tear strength and modulus increase. Akron abrasion performance shows a downward trend with the content of CF varying from 5 to 25 phr.
徐彦红，王再学，赵桂英
徐州工业职业技术学院，材料工程学院，江苏省橡胶循环利用研发中心，江苏 徐州
收稿日期：2017年10月10日；录用日期：2017年10月23日；发布日期：2017年10月30日
以氯丁橡胶(CR)作为基料，碳纤维作为填充物，研究5 mm碳纤维(CF)加入氯丁橡胶的力学性能、老化性能和阿克隆磨耗性能的变化。在氯丁橡胶母炼胶(CR 100份，ZnO 5份，MgO 4份，SA 1份，DM 0.5份，NA-22 2份)基础上分别填充不同量的CF (0，5，10，15，20，25份)制备复合橡胶材料，并对此材料进行力学、老化和磨耗性能的测试。结果表明CF对CR的性能具有较大的影响，随着碳纤维的加入橡胶的邵氏A硬度、300%定伸应力和撕裂强度提高，尤其是复合材料具有优异的耐热老化性能，硬度、拉伸强度、撕裂强度、定伸应力均增加。而阿克隆磨耗性能随碳纤维量(5~25份)的从增加呈下降趋势。
关键词 :氯丁橡胶，碳纤维，耐热老化，性能
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随着科技的发展，橡胶制品的应用越来越广，对材料的综合性能要求也越来越高。研究者在现有聚合物基础上通过添加一些特殊材料对其改性，从而得到了许多种性能优异可用于各种类型需求的新型复合功能材料 [
碳纤维(CF)主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其显著优点是强度高、质量轻、纤度好等，同时具有一般碳材料的特性，如耐高温、耐酸性能好、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等。由于碳纤维这些优异的综合性能，使其与树脂、金属、陶瓷等基体复合后形成的碳纤维复合材料，具有高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一系列优良性质，在现代工业方面应用非常广泛 [
原材料：CR牌号为322 (重庆长寿捷圆化工有限公司)，硬脂酸SA (广州市诚壹明化工有限公司)，ZnO (临沂市源泉商贸有限公司)，MgO (潍坊力合粉体科技有限公司)，促进剂DM (上海成锦化工有限公司)，促进剂NA-22 (威海天宇新材料科技有限公司)，CF (5 mm，威海光威复合材料有限公司)。
实验设备：橡胶开炼机(XK-160，无锡第一橡塑机械有限公司)，平板硫化机(QLB-50D/Q，无锡市第一橡塑机械有限公司)，无转子硫化仪(GT-M2000-A，高铁科技股份有限公司)，邵尔A型橡胶硬度计(LX-A，江都市真威试验机械有限责任公司)，电子拉力机(JDL-2500N，江都市新真威试验机械有限公司)，空气热老化试验箱(RHL-225，南京五和试验设备有限公司)，磨耗试验机(WML-76，江苏江都市真威试验机械有限公司)。
实验基本配方(质量份)：CR 100，ZnO 5，MgO 4，SA 1，DM 0.5，NA-22 2。然后分别添加不同量(0，5，10，15，20，25份)的CF。
制备过程：CR经过塑炼、混炼，接着加入MgO、SA、ZnO、NA-22混炼，待混炼均匀后，打6个三角包，炼成母炼胶。紧接着将母炼胶平均分成7份，再分别加入ZnO不同规格和不同量的CF，打6个三角包，然后在1~2 mm辊距下，过辊5遍，下片待用，停放，然后进行硫化：硫化温度为170℃，硫化时间为正硫化时间(t90)，表压为15 MPa。
邵氏A型硬度按照GB/T531.1-2008，邵氏硬度计进行测试；物理机械性能按照GB/T528-2009用电子式拉力试验机进行测试；撕裂实验依据GB/T529-2008测试；耐磨性能按照GB/T9867-2008，在磨耗试验机上进行测试。
由表1(a)值可知，CR中加入CF对它的物理机械性能有较大的影响，复合橡胶的邵氏A硬度随着CF用量的增加而增大；撕裂强度也都比没加CF时增大，而且随着CF的增加(从5份到20份)，撕裂强度呈现增加的趋势；加入CF后所得复合橡胶的300%定伸应力均增大；但是CF的加入却降低了复合橡胶的拉伸强度，这主要是因为CR分子结构规整，拉伸强度较高，CF的加入破坏了CR结构规整性，使其分子间作用力减小，所以复合材料的拉伸强度降低。但CF的加入可以明显提高橡胶的定伸应力和撕裂强度。
所制备的橡胶在热空气老化箱中100℃老化72 h后所得材料的性能见表1(b)，老化前后复合橡胶的性能变化列于表2，从表1和表2中可以看出，复合橡胶材料经过热老化后的邵氏A硬度、撕裂强度、300%定伸应力均大于老化前的硬度，而且添加了CF橡胶的撕裂强度增加得更为显著。CF的加入使得橡胶老化后的拉伸强度增加，而不添加CF的CR老化后的拉伸强度降低，这是因为CF具有较好的耐热性，从而增强了复合材料的耐热老化性能。
阿克隆磨耗测试结果如图1所示，可以看出随着加入的CF量份数的增加复合材料的阿克隆磨耗体
| CF用量(份) | 硬度(邵氏A) (a/b) | 撕裂强度(N/mm) (a/b) | 拉伸强度(MPa) (a/b) | 300%定伸应力(MPa) (a/b) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 47/51 | 23.00/25.18 | 18.64/13.51 | 1.66/2.27 |
| 5 | 58/61 | 33.24/38.93 | 12.97/13.71 | 2.95/3.66 |
| 10 | 66/69 | 35.44/43.42 | 12.98/13.18 | 3.37/4.30 |
| 15 | 68/73 | 43.03/47.82 | 11.89/13.39 | 4.01/4.32 |
| 20 | 74/74 | 44.12/48.93 | 11.44/11.85 | 3.72/4.87 |
| 25 | 75/78 | 40.41/45.75 | 11.07/11.32 | 3.65/5.42 |
表1. 碳纤维用量对橡胶物理机械性能的影响(老化前后a/b)*
*a为热老化前，b为100℃ × 72 h热老化后数据。
| CF用量(份) | 硬度(邵氏A) | 撕裂强度(%) | 拉伸强度(%) | 300%定伸应力(%) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 4 | 9 | −28 | 37 |
| 5 | 3 | 17 | 6 | 24 |
| 10 | 3 | 23 | 2 | 28 |
| 15 | 5 | 11 | 13 | 8 |
| 20 | 0 | 11 | 4 | 31 |
| 25 | 3 | 13 | 2 | 48 |
表2. 添加不同量纤维所得复合橡胶在热老化前后性能变化
图1. CF的不同用量对CR材料磨耗性能的影响
积值呈增加趋势，表明复合材料的耐磨性能降低，在磨耗实验中，磨耗轮工作表面存在长丝条，可能磨耗过程中，整根的碳纤维被磨掉现象，这可能因为CF和CR之间的结合力不好导致复合材料的磨耗性能下降。
1) 碳纤维对氯丁橡胶的性能有较大影响，随碳纤维用量的增加，复合材料的拉伸强度减小，但是撕裂强度、邵氏A硬度及300%定伸应力均增大；
2) 随着碳纤维的加入，橡胶耐热性能增强，老化后的物理机械性能均大于老化前的相应性能；
3) 阿克隆磨耗值随碳纤维的加入而增大，复合材料的磨耗性能下降。
感谢江苏省科技厅自然科学基金项目(BK20161166)，徐州市社会发展项目基金(KC15SH003)和徐州工业职业技术学院博士重点项目(1115088801040140)基金等的支持。
徐彦红,王再学,赵桂英. 碳纤维对氯丁橡胶性能的影响Effect of Carbon Fibers on Properties of Chloroprene Rubber[J]. 材料化学前沿, 2017, 05(04): 99-103. http://dx.doi.org/10.12677/AMC.2017.54013
https://doi.org/10.1002/app.40159