废旧轮胎短纤维改性及其增强橡胶复合材料的应用研究

摘要

短纤维-橡胶复合材料(SFRC)具有高模量、高抗刺扎性、高撕裂强度、高尺寸稳定性、抗蠕变等特点，广泛使用于胶管、V型胶带等制品中。废旧轮胎回收产生大量的废旧短纤维(SWF)。近年来，提高SWF的附加值利用受到人们的重视。其中，用于增强SFRC的原型利用无疑足最好的方法。三元乙丙橡胶(EPDM)具有优良的耐热和耐臭氧性能，短纤维/EPDM复合材料广泛用来制备耐热胶带等制品。SWF应用于SFRC，需要解决SWF在SFRC中的分散、界面粘合等问题。
　　 本文先对SWF的形貌、结构和成分进行分析表征，在以往有关研究基础上，尝试新型的预处理工艺，选用环保的腰果壳油(CNSL)和羧基丁苯胶乳(XSBR)对SWF进行预处理改性，探讨了SWF的改性机理及其增强EPDM的效果，并与商业预处理尼龙短纤维(DN66)进行了对比试验；通过原位增容的方法，研究了RC(一种三聚氰胺初缩体为母体的有机化合物)、60NSF(脂肪烃树脂为主要成分的混合物)和TKM-80(烷基酚与甲醛缩合而得的热塑性树脂)三种具有增容和粘合作用的相容剂用量对SWF与EPDM基体界面粘合性能以及对SFRC力学性能的影响；利用扫描电镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)等分析测试手段，研究了改性SWF增强和原位增容方法与SWF/EPDM复合材料结构、性能之间的相互关系。研究表明：⑴通过对SWF形貌、结构和成分研究分析发现，SWF主要成分为尼龙6短纤维和尼龙66短纤维，纤维表面有一定的粗糙程度，部分SWF附有少量的废旧轮胎胶粉；SWF长度主要分布在3～4mm之间，直径在30～34μm之间，长径比为90～130。⑵短纤维用量在0～20.0phr范田内，随着短纤维用量的增加，SFRC的拉伸强度和拉断伸长率呈下降趋势，硬度和撕裂强度不断增加；与加入未处理SWF相比，SWF经CNSL预处理后填充增强SFRC的混炼胶的加工性能和综合力学性能提高，其中经6.0 wt％CNSL预处理的SWF补强效果较佳；CNSL浓度在0～9.0 wt％范围内，随着SWF预处理剂CNSL浓度的增加，SWF/EPDM复合材料的耐热空气老化性能增加。⑶采用CNSL与XSBR并用对SWF进行预处理，当CNSL浓度为3.0 wt％时，XSBR浓度在3.0 wt％～6.0 wt％范围内，随管XSBR浓度的增加，SFRC的ML和MH均呈下降趋势，T10和T90变化不大；短纤维用量为0～20.0 phr范围内，与添加未改性SWF的SFRC相比，SWF经CNSL/XSBR预处理后，SFRC的综合力学性能提高。⑷在0～12.0phr用量范围下，随着相容剂RC、60NSF和TKM－80用量的增加，SFRC的硬度不断降低，100％定伸应力、拉伸强度和撕裂强度均先增加后降低；与没加相容剂SFRC相比，加入相容剂后SFRC的综合力学性能和耐热老化性均有不同程度的改善，其中加入60NSF的SFRC具有较优的力学性能和耐热空气老化性能。⑸在0～20.0phr用量范围内，随着未改性SWF、DN66和经3.0 wt％CNSL/3.0wt％XSBR预处理SWF用量的增加，SFRC的硬度、100％定伸应力和撕裂强度逐渐增大，SFRC的拉伸强度和扯断伸长率呈现下降的趋势；与加入未处理SWF的SFRC相比，添加改性SWF的SFRC的的定伸应力、拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度均有不同程度的提高；在相同用量情况下，添加SWF-33的SFRC的综合力学性能与加入DN66的SFRC相当。⑹SEM分析结果显示，未处理的SWF在SFRC中的分散性及其与基体的界面粘合性差；SWF经适量的CNSL或CNSL/XSBR预处理后，在SFRC中的分散性及其与基体的界面粘合性均有明显提高；加入相容剂RC、60NSF和TKM-80均可改善SWF与基体之间的界面相容性。