抗穿刺丁腈橡膠/纖維復合材料的制備與性能

宋立,王鑫,趙頌,王磊,胡偉,秦萬寶,趙雄燕,3

(1.河北科技大學 材料科學與工程學院,河北 石家莊 050018；2.河北省產品質量監督檢驗研究院, 河北 石家莊 050091；3.河北省航空輕質復合材料工程實驗室,河北 石家莊 050018)

丁腈橡膠(NBR)因分子中帶有獨特的氰基[1],使其耐油性、耐磨性、耐熱性等性能優于其他品種的橡膠[2-4]。因此,NBR被人類廣泛的應用在生產和生活的各個領域[5-6]。隨著科技的發展,人類對材料的要求越來越高,因此具有更高性能的、更能符合人類發展需求的高性能復合材料受到科研人員的廣泛重視[7-9]。丁腈橡膠/纖維復合材料相比于單純的丁腈橡膠,其綜合力學性能十分優異,防穿刺性能強,是制備高性能抗穿刺材料的理想選擇。本實驗探索了纖維布種類、纖維布復合方式和粘合劑組成配方對丁腈橡膠/纖維復合材料的力學性能與穿刺性能的影響,為今后制備高性能防穿刺橡膠復合材料提供一定的技術借鑒。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丁腈橡膠6280、環氧樹脂E-51、低分子量聚酰胺650、雙氰胺、疏芳綸纖維布(克重240 g/m2)、密芳綸纖維布(克重400 g/m2)、掛漿聚酯纖維布(克重280 g/m2)、厚聚酯纖維布(克重1 240 g/m2)均為工業品。

XSK-160開放式塑煉機；45 t平板硫化機；ETM-104C萬能拉力機；MDR-2000電腦型無轉子硫化儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 復合材料的制備 利用平板硫化機對橡膠混煉膠/纖維布復合材料進行硫化,制得橡膠/纖維復合材料。取適量混煉膠,分別與疏、密芳綸纖維布、掛漿聚酯纖維布、厚聚酯纖維布進行雙面單層復合(兩面膠,中間夾一層纖維布),和單側單層復合(一面是纖維布,一面是膠)。

1.2.2 性能檢測 按國家標準GB/T 528—1998、GB/T 529—1999、GB/T 529—1999和GB/T 20991—2007對復合材料的拉伸性能、撕裂性能、硬度和穿刺力進行性能檢測。

2 結果與討論

2.1 纖維布種類對復合材料力學性能的影響

2.1.1 拉伸性能 純丁腈橡膠及其與不同纖維布組成的復合材料的拉伸性能,見圖1。

圖1 丁腈橡膠及復合材料的拉伸強度Fig.1 Tensile strength of nitrile rubber and its composites

由圖1可知,密芳綸布和厚聚酯布對橡膠基體有明顯的增強效果,使復合材料的拉伸強度顯著提高；而疏芳綸和掛漿聚酯與丁腈橡膠組成的復合材料的拉伸強度均低于純的丁腈橡膠,無明顯的增強效果。這主要是由于密芳綸布和厚聚酯纖維布的強度均高于純丁腈橡膠,作為增強材料復合到丁腈橡膠中可承擔復合材料承受的主要拉力,從而起到增強的效果。

2.1.2 斷裂伸長率 純丁腈橡膠及其與不同纖維布組成的復合材料的斷裂伸長率,見表1。

表1 丁腈橡膠及復合材料的扯斷伸長率Table 1 Elongation at break of nitrile rubber and its composites

由表1可知,復合材料的斷裂伸長率均低于純的橡膠基體。這主要是因為纖維是彈性較差的脆性材料,與橡膠復合后,限制了橡膠基體分子鏈的運動,從而導致復合材料的扯斷伸長率下降。而且纖維布的面密度越大,形變越困難,這也是厚聚酯復合材料斷裂伸長率最低的原因。

2.1.3 撕裂性能 純丁腈橡膠及其與不同纖維布構成的復合材料的撕裂性能,見圖2。

圖2 丁腈橡膠及復合材料的撕裂強度Fig.2 Tear strength of nitrile rubber and its composites

由圖2可知,與純丁腈橡膠及其他復合材料相比,厚聚酯布對基體改性效果最為突出,撕裂強度提高近3倍,這是因為厚聚酯纖維布的面密度大、強度高且與基體橡膠的相容性較好,作為增強基體材料復合到丁腈橡膠中,可起到顯著的增強效果。

2.1.4 硬度 純丁腈橡膠及其與不同纖維布組成的復合材料的硬度,見圖3。

圖3 丁腈橡膠及復合材料的硬度Fig.3 Hardness of nitrile rubber and its composites

由圖3可知,纖維布對基體硬度有較大影響,這是因為纖維布的存在一方面限制了橡膠基體分子鏈的運動從而導致復合材料的彈性降低,硬度增大；另一方面,由于纖維占據一定體積,會使橡膠基體的體積比重降低,從而也會導致硬度提高。

2.2 纖維布的種類對復合材料抗穿刺性能的影響

由圖4可知,制備的4種纖維布復合材料中,厚聚酯纖維布的穿刺力最大。這主要是由于復合材料的防穿刺性能主要是由增強材料提供,厚聚酯布料的面密度大,布料密實其防穿刺能力也相應提高。

圖4 不同種類纖維布復合材料的最大穿刺力Fig.4 Maximum puncture forces of different types of fiber cloth composites

2.3 粘合劑組成對復合材料抗穿刺性能的影響

為了進一步提高復合材料的抗穿刺性能,制備了4種環氧樹脂基粘合劑(見表2),用于提高厚聚酯纖維布與橡膠之間的粘結性能,從而達到提高抗穿刺的效果。

表2 環氧樹脂基粘合劑配方組成(份)Table 2 Epoxy resin adhesive formulation

圖5 不同粘合劑配方下復合材料的最大穿刺力Fig.5 Maximum puncture force of composites with different binder formulations

由圖5可知,使用粘合劑后,厚聚酯基復合材料的抗穿刺性能均有較大的提高,其中4號粘合劑配方對應的復合材料的抗穿刺性能提高的更為明顯,其最大穿刺力達到了1.357 kN。這主要是由于低分子量聚酰胺作為固化劑時,會改善固化后環氧樹脂的韌性,一般來說加入的聚酰胺越多,復合材料的韌性越大,故其抗穿刺性能越好。

3 結論

研究了不同種類纖維布和粘合劑配方對丁腈橡膠/纖維復合材料力學性能及防穿刺性能的影響,通過性能測試與分析得出如下結論：

(1)纖維布種類對丁腈橡膠/纖維復合材料的性能有較大的影響,其中厚聚酯纖維布改性效果最佳,可顯著提高復合材料的拉伸強度、撕裂強度和抗穿刺性能。

(2)在橡膠和厚聚酯復合時使用粘合劑,可大幅度提高復合材料的抗穿刺性能,當采用低分子量聚酰胺650作為環氧樹脂E-52固化劑時,復合材料的最大穿刺力可達1.357 kN。