玻璃纖維/NR/BR復合材料的制備及性能研究

楊傳奇 王忠光 王 亮 翟登婭 趙桂英

(徐州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221140)

滑倒被認為是導致人身傷害的一個主要原因,當鞋與地面摩擦力損失就可能導致滑倒發(fā)生；根據(jù)美國安全工程協(xié)會的統(tǒng)計，滑倒事故是引起職業(yè)死亡的第二大因素[1]；隨著人們生活水平的提高，許多家居、商場、衛(wèi)生間均鋪設美觀但光滑的大理石、瓷磚等地板，在考慮舒適性、耐用性的同時，也對鞋穿著安全性提出了更高的要求，因此對于鞋類防滑性能的研究，就顯得尤為重要[2]。

鞋底是鞋子的主要部件，穿著時直接與地面接觸，鞋底材料的防滑性已成為研究內容之一；橡膠鞋底優(yōu)良的耐折性、耐磨性、防寒性、保暖性和防水性能等是其它材料所不能及的，目前它仍然是使用量最大的鞋底材料；鞋大底膠料中通常采用NR/HS、NR/SBR、NR/SBR/HS、或SBR/HS等并用，以期獲得綜合性能最佳的鞋底材料；淺色大底膠料通常采用白炭黑、碳酸鈣、陶土、納米礦物材料以及木質素等為補強填充劑，其中白炭黑的用量大，補強效果好，但其價格較高。

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，種類繁多，價格便宜，且絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高，尺寸穩(wěn)定性好；但未經表面處理的纖維性脆、耐磨性較差、表面光滑，活性基團少、浸潤性差；已有研究表明，玻璃纖維經表面處理后，不僅可以大幅提高其耐磨性、耐扭斷性．還能賦予玻璃纖維表面一定的活性基團，提高其與橡膠的相容性和界面粘結性，使其在橡膠基體中分散更加均勻,發(fā)揮補強劑的作用[3，4]；以NR/BR并用為主體材料，采用經表面處理的玻璃纖維部分替代白炭黑為填充補強劑，研究玻璃纖維的用量對NR/BR鞋底膠料硫化特性、力學性能、耐磨性及防滑性能的影響，為防滑鞋底材料的選用及開發(fā)提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

NR：海南農墾公司產品；BR：北京利博恒遠化工有限公司；玻璃纖維：泰安市白玉玻纖復合材料有限公司；沉淀法白炭黑：連云港連吉化學工業(yè)有限公司；納米凹土：玖川納米科技股份有限公司；氧化鋅、硬脂酸：中國石化南京化工廠；軟化劑、促進劑、防老劑等為市售產品。

1.2 基本配方

NR 55份，BR 45份，氧化鋅 5份，硬脂酸 1份，PEG-4000 3份，二甘醇 2份，防老劑 1.5份，促進劑 1.5份，硫黃 2.0份，軟化劑10份，增粘劑1.5份，補強填充體系為變量見表1。

表1 填料類型Table 1 the filler type

1.3 主要設備與儀器

開放式煉膠機XK-160、平板硫化機QLB-50D/Q均為無錫市第一橡塑機械有限公司；BM-Ⅲ 型擺式摩擦系數(shù)測定儀，江蘇沭陽高速公路有限公司；無轉子硫化儀GT-M2000-A：臺灣高鐵科技股份有限公司；電子拉力機JDL-2500 江都實驗機械廠；阿克隆磨耗機、邵氏硬度計：江都試驗機械廠。

1.4 試樣制備

1.4.1復合材料的制備

玻璃纖維的預處理：將短切玻璃纖維浸泡在一定比例的硅烷偶聯(lián)劑溶液中，經一定時間后，在105 ℃溫度下烘干固化而成。

膠料的混煉：先調節(jié)雙輥開煉機輥距至0.1 mm，首先加入NR薄通塑煉7次，然后加入BR混合均勻，制得塑煉膠；調整輥距至2 mm左右，留有少量堆積膠，并按以下加料順序加入各種配合劑進行混煉：

1.4.2試樣的硫化

將混煉后的膠料按規(guī)定的時間停放后，采用平板硫化機進行硫化試樣的制備；硫化三要素為：溫度：160 ℃，時間：T90，壓力：15 MPa；阿克隆磨耗試驗用膠輪的硫化時間為T90+7 min；將硫化后的試樣在室溫下停放12～36 h，采用沖片機進行試樣的沖裁及性能測試。

1.5 性能測試 [5]

按照國家標準要求進行相關性能的測試；其中拉伸性能測試采用啞鈴形Ⅰ型試樣，拉伸速度為500 mm/min，撕裂性能測試采用直角型試樣；膠料硫化特性的測試條件：溫度設定為160 ℃，壓力為0.35～0.6MPa；防滑性能測試采用 ASTM E303-93標準進行，試驗基準物為玻璃。

2 結果與討論

2.1 填料類型對NR/BR鞋底膠硫化特性的影響

填料類型對NR/BR鞋底膠硫化特性的影響見表2所示。

表2 填料類型對NR/BR鞋底膠硫化特性的影響Table 2 Impact of the filler type on the vulcanization characteristics of the NR/BR composites

T10、T90分別表示膠料的焦燒時間和正硫化時間，從表2中可以看出，5個配方膠料的T10均在55 s～85 s之間，膠料的焦燒時間適中，加工安全性很好，不易焦燒；5個配方膠料的T90均在173 s～253 s之間，膠料的工藝正硫化時間短，生產效率高，有利于節(jié)約能耗，降低生產成本；隨著玻璃纖維用量的增加，膠料的正硫化時間逐漸縮短，明顯小于白炭黑和納米凹土填充膠料的硫化時間，原因可能是白炭黑和納米凹土容易吸附膠料中的促進劑，延遲了膠料的正硫化時間。

2.2 填料類型對NR/BR鞋底膠力學性能的影響

填料類型對NR/BR鞋底膠力學性能的影響見圖1。

圖1 填料類型對NR/BR鞋底膠的拉伸強度、最大伸長率、硬度、300%定伸應力影響圖Fig 1 The comparison chart of the tensile strength、elongation at break、hardness and 300% tensilestrength of different fillers on the NR/BR composites

拉伸強度表示硫化膠抵抗拉伸破壞的極限能力，從圖1可以看出，隨著玻璃纖維用量的增加，膠料的拉伸強度先增加后減少，當玻璃纖維加入量為6份時，膠料的拉伸強度出現(xiàn)最大值，當玻璃纖維用量增加至9份時，膠料的拉伸強度明顯低于白炭黑填充膠料的拉伸強度，說明少量的玻璃纖維在橡膠中具有一定的補強作用，而多量的玻璃纖維可能會導致纖維堆積，不能完全浸潤到橡膠基體中，使其在橡膠中的分散性變差，界面粘合強度小[6]，受力時容易從薄弱環(huán)節(jié)斷裂，拉伸強度下降；由于納米凹土表面效應大，與橡膠的相容性較差，因此添加6份納米凹土膠料的拉伸強度稍小于白炭黑填充膠料，但明顯大于填充相同分數(shù)的玻璃纖維膠料。

從圖1還可以看出，膠料的最大伸長率隨著玻璃纖維用量的增加逐漸降低，其數(shù)值明顯小于白炭黑和納米凹土填充膠料的伸長率，可能是經表面處理后的纖維與橡膠產生了粘合，從而限制了橡膠的變形，導致膠料伸長率降低；隨著玻璃纖維用量的增多，膠料的硬度和300%定伸應力明顯增大，說明纖維的添加能提高膠料抵抗變形的能力。

2.3 填料類型對NR/BR鞋底膠其它性能的影響

填料類型對NR/BR鞋底膠其它性能的影響見圖2。

圖2 填料類型對NR/BR鞋底膠的磨耗體積、撕裂強度、濕摩擦系數(shù)影響圖Fig 2 The comparison chart of the Wear volume、tear strength and wet friction coefficient ofdifferent fillers on the NR/BR composites

從圖2可以看出，添加纖維膠料的撕裂強度大于白炭黑和納米凹土填充膠料，當玻璃纖維用量為6份時，膠料的撕裂強度最大，達到37.27 kN/m，可能是纖維的添加增強了膠料的內部結構，膠料在老化作用或受到尖銳物的撞擊時不易產生裂口、破損，提高了膠料的抗撕裂性能；通常采用磨耗體積來表征膠料的耐磨性能，磨耗體積越大，膠料耐磨性越差，反之，膠料耐磨性越好；從圖2可以看出，添加玻璃纖維膠料的磨耗體積明顯大于白炭黑和納米凹土填充膠料，說明玻璃纖維部分替代白炭黑會導致膠料的耐磨性變差；同樣，添加納米凹土膠料的磨耗體積也大于白炭黑膠料；當玻璃纖維用量少于6份時，膠料的硬度、拉伸強度、伸長率及磨耗體積等均達到或超過膠鞋大底國家標準性能指標的要求。

鞋類的防滑性是指外底對地面的止滑效果或抓著力，膠料的防滑性能通常采用摩擦系數(shù)來表示，摩擦系數(shù)越大，使膠料表面相對運動所需的力越大，說明膠料的止滑性能越好[7]；從圖2可以看出，采用納米凹土部分替代白炭黑膠料的濕摩擦系數(shù)與白炭黑填充膠料的相差不大，而采用玻璃纖維部分替代白炭黑膠料的濕摩擦系數(shù)均有所增加，當玻璃纖維用量為6份時，膠料的濕摩擦系數(shù)最大，達到0.228，說明玻璃纖維作為補強填充劑能增大膠料的濕摩擦系數(shù)，提高鞋底膠的抗?jié)窕阅堋?/p>

3 結 論

采用玻璃纖維部分替代白炭黑能縮短膠料的正硫化時間，提高生產效率；隨著玻璃纖維用量的提高，膠料的硬度、撕裂強度及濕摩擦系數(shù)增加，耐磨性逐漸降低；當玻璃纖維用量為6份時，膠料的拉伸強度最大，其綜合性能高于白炭黑、納米凹土部分替代白炭黑填充膠料的性能；由于膠料的濕摩擦系數(shù)越大，膠料的抗?jié)窕阅茉胶茫煽紤]將玻璃纖維用于淺色防滑鞋底膠料中，避免可能發(fā)生的滑倒跌傷事故。

[1] Li K, Courtney T, Huang Y, et al.Employee experience and perception of floor slipperiness: a field survey in fastfoodrestaurants[J].Professional safety, 2006, (9):34.

[2] 王勇,何洋,張應征．鞋類止滑性能試驗方法[J]．橡膠工業(yè)，2007，54(10):593～596．

[3] 陳曄,顧伯勤等.表面處理對玻纖/碳纖增強橡膠基密封復合材料性能的影響[J]．南京工業(yè)大學學報，2007,29(4):25～29.

[4] 鄭偉峰 等.高性能纖維和樹脂發(fā)展現(xiàn)狀[J]．西安文理學院學報:自然科學版,2013,16(1):27～30.

[5] 趙桂英,王忠光．高分子材料性能測試技術[M]．北京：化學工業(yè)出版社,2013，20～127.

[6] 趙付彬.短纖維增強氯丁橡膠復合材料的結構及力學性能研究[D],青島科技大學碩士學位論文, 2012，04.

[7] 葉正茂．鞋類止滑性能試驗方法的研究[J]．中國個體防護裝備，2013,04：35～38.