芳纶浆粕

芳纶浆粕增强橡胶无石棉密封垫的研究

摘要

利用开炼混合法在橡胶中加入芳纶纤维可以得到增强材料。利用拉伸试验机、扫描电镜等

实验设备对比研究硫化时间、硫化温度、芳纶纤维的用量以及白炭黑的用量对与复合材料性能的影响。电镜下可以看到芳纶纤维在材料中分散均匀。并且得出了是当浆粕含量为30份,白炭黑含量为40份,硫化压力15MPa,硫化温度160℃，硫化时间13mim时,所制密封材料综合性能较好。

关键词 芳纶纤维 橡胶 密封 硫化

以橡胶为基体、石棉纤维为增强材料制成的密封材料兼有石棉和橡胶的优良综合性能,具有很好的弹性、耐热性、抗蠕变松弛特性和耐化学腐蚀性,一直是产量最大、应用最广的非金属密封材料。但石棉制品无论在生产或是使用过程中均会给人体健康造成严重危害,因而,世界各国特别是工业发达国家都致力于寻求合适的非石棉纤维以替代石棉纤维,研制不含石棉但综合性能不亚于石板制品的高品质绿色密封产品[1]。

纤维素浆粕和芳纶浆粕是两种目前最常用于密封材料中取代石棉纤维的有机浆粕状纤维,除作为加工助剂外,主要起增强和隔热作用[2]。纤维素浆粕在打浆的过程中对纤维的润涨和纤维间的粘合起很好的作用,但用纤维素浆粕增强的密封材料拉伸强度偏低,弹性较差,易脆,特别是耐热性能较差;芳纶浆粕增强的密封材料具有良好的综合性能。

1 实验部分 1.1 原料及仪器

丁腈橡胶 41号；芳纶浆粕 对位芳纶浆粕，长0.02英寸，直径0.0003英寸；ASBURY GRAPHITHE MILLS,INC.公司；白炭黑,氧化锌,硬脂酸,硫磺,促进剂DM 青岛市精科仪器有限公司。

XSK—160双辊开炼机，常州市东南橡塑机械厂；QLB-350×350×2 0.25MN平板硫化仪，常州市东南橡塑机械厂；XTY-1冲片机，承德市金建检测仪器有限公司；LX-A型邵氏橡胶硬度计，江都市明珠试验机械厂；WDW3100电子万能试验机； KYKY-2800B SEM扫描电镜 ；高速万能粉碎机,型号FW100 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2 制备工艺

芳纶浆粕增强无石棉橡胶密封板由生胶、芳纶浆粕、无机填料及橡胶配合剂等组成 ,参

照石棉增强橡胶密封板的模压生产工艺[3],流程如图 2.1 所示，

1.3性能测试

1.3.1 拉伸试验 WDW3100电子万能试验机 1.3.2 电镜扫描 KYKY-2800B SEM扫描电镜

2 结果与讨论

2.1芳纶浆粕用量对复合材料性能的影响

不同用量的芳纶浆粕补强复合材料的应力-应变曲线，在不同方向的拉伸强度如Fig1、Fig2所示

2520 10份芳纶浆粕stress (MPa)15 20份芳纶浆粕 30份芳纶浆粕 40份芳纶浆粕1050050100150200250strain (%)

Fig1 不同用量的芳纶浆粕补强复合材料的应力-应变曲线

从Fig1、Fig2我们可以看出随着芳纶浆粕用量的增加，复合材料小应变下的定伸应力明显增大，复合材料拉伸强度逐渐升高，当芳纶浆粕的量为30份时，复合材料拉伸强度达到最大值，当芳纶浆粕的量超过30份时，复合材料拉伸强度呈递减趋势。因此芳纶浆粕表现出较强的补强特点，即较高的拉伸强度和较低的扯断伸长率，此时复合材料已失去了橡胶大变形的特征。

28 横向 纵向拉伸强度 (MPa)24201612801020304050浆粕的量 (份)

Fig2 用量的芳纶浆粕补强复合材料在不同方向的拉伸强度曲线

复合材料的另一个重要特点是在硫化前通过压延或开炼机两辊筒间产生的剪切力使短纤维取向 ,复合材料在平行于纤维方向与垂直于纤维方向的定伸应力、拉伸强度和压缩模量等性能表现出明显的差异。Fig2为不同用量芳纶浆粕补强复合材料在不同方向的拉伸强度，从图中可以看出 ,随着芳纶浆粕用量的增大 ,复合材料的拉伸强度先增大后降低 ,说明复合材料的各向异性表现很明显。

不同用量芳纶浆粕补强复合材料的拉伸断面SEM 照片(1000倍)如图Fig3~Fig6所示。图中白色圆点为 白炭黑 ,纤维垂直于拉伸断面排列 ,表面包覆一层橡胶 ,与NBR 结合良好。在橡胶的硫化反应下 ,可与橡胶形成良好的填料-橡胶界面结合[4] 。

Fig3 0份芳纶浆粕的复合材料拉伸断面的SEM照片

Fig4 10份芳纶浆粕的复合材料拉伸断面的SEM照片

Fig5 20份芳纶浆粕的复合材料拉伸断面的SEM照片

Fig6 30份芳纶浆粕的复合材料拉伸断面的SEM照片

复合材料的拉伸断面上有很多圆形孔洞是由于芳纶浆粕被拔出，但芳纶浆粕表面并不光滑，说明芳纶浆粕与橡胶的粘合力表较大，因而具有较大的拉伸强度。

2.2白炭黑用量对复合材料性能的影响

不同用量的白炭黑补强复合材料的应力-应变曲线，在不同方向的拉伸强度如Fig7、 Fig8所示

30 30phr 白炭黑25 40phr 白炭黑 50phr 白炭黑 60phr 白炭黑stress(Mpa)20151050020406080100120140strain(%)

Fig7 不同用量的白炭黑补强复合材料的应力-应变曲线

从Fig7，Fig8我们可以看出随着白炭黑用量的增加，复合材料拉伸强度先增大后减小，当白炭黑的量为40份时，复合材料拉伸强度最大。

此外，从Fig8我们可以看出不同用量白炭黑补强复合材料在不同方向的拉伸强度,复合材料的各向异性表现仍很明显。

2826 横向 纵向拉伸强度 (MPa)2422201830405060白炭黑的量 (份)

Fig8 不同用量的白炭黑补强复合材料在不同方向的拉伸强度曲线

2.3硫化温度对复合材料性能的影响

不同硫化温度下复合材料的应力-应变曲线如Fig9所示

2520 硫化温度140℃ 硫化温度150℃ 硫化温度160℃stress (MPa)15105004080120160200strain (%)

Fig9 不同硫化温度下复合材料的应力-应变曲线

不同硫化温度下复合材料的拉伸强度、断裂伸长率见Tab3-1。

Tab3-1 不同硫化温度下复合材料拉伸强度、断裂伸长率

硫化温度 拉伸强度 拉伸强度 断裂伸长率 断裂伸长率（℃） 横向（Mpa） 纵向（Mpa） 横向（％） 纵向（％） 140 8.83 14.14 183.09 111.12 150 19. 26.04 88.82 81.51 160 21.33 27.73 80.97 48.52 由Fig9，Tab3-1我们可以看出，硫化温度对材料性能影响较大，温度为160℃时，材料力学性能较好。

2.4硫化时间对复合材料性能的影响

不同硫化时间下复合材料的应力-应变曲线如Fig10所示

24 硫化时间7min20 硫化时间10min 硫化时间13min16sress (MPa)12840020406080100120140strain (%)

Fig10 不同硫化时间下复合材料的应力-应变曲线

不同硫化时间下复合材料的拉伸强度、断裂伸长率见Tab3-2

Tab3-2 不同硫化时间下复合材料的拉伸强度、断裂伸长率

硫化时间 （min） 7 10 13 拉伸强度 拉伸强度 断裂伸长率断裂伸长率纵向（％） 59.07 48.52 40.80 横向（Mpa） 纵向（Mpa） 横向（％） 19.77 21.33 22.32 23.46 27.73 30.42 59.91 80.97 65.88

由Fig10，Tab3-2我们可以看出，硫化时间对材料性能影响也较大，硫化时间为13min时，材料力学性能较好。

3结论

(1)芳纶浆粕含量,白炭黑含量以及硫化体系对复合材料的性能有较明显的影响,当浆粕含量为30份,白炭黑含量为40份,硫化压力15MPa,硫化温度160℃，硫化时间13mim时,所制密封材料综合性能较好。

(2)芳纶浆粕在复合材料中的分散比较均匀 , 在橡胶的硫化反应下 ,芳纶浆粕可与橡胶形成良好的填料-橡胶界面结合

(3)芳纶浆粕/NBR复合材料在硫化前通过压延或开炼机两辊筒间产生的剪切力使短纤维取向 ,复合材料在平行于纤维方向与垂直于纤维方向的各向异性表现很明显。

参考文献

[1] 顾伯勤.非石棉密封垫片的性能及应用[J].化工设备与管道,2002,39(1):5.

[2] Kaminski,Stanley S,Evans,Robert E.Ashbestos-f ree gasket s and t he like containing blends of organic fibrous and particolate component s.U SP 5,472,995. [3]谢苏江,章兰珠,蔡仁良. 芳纶浆粕增强橡胶无石棉垫片密封的制备及性能研究[J ].润滑与密封,1999 ,（2） :45 - 47.

[4]Tian M ,Liang WL ,Rao G Y,et al. Surface modification of fibrillar silicate and reinforcing mechanism on FS/ rubber composites[J ]. Compos. Sci. Technol. , 2005 ,65 (7-8 ): 1 129-1 138.