棉短纤维改性及EPDM/短纤维复合材料的应用研究

摘要

短纤维-橡胶复合材料(SFRC)能够将橡胶的柔性和短纤维的刚性很好地结合在一起,从而赋予材料以高模量、高抗刺扎性、高撕裂强度以及低伸长下的高应力和各向异性等特点。为了制备高性能的SFRC,人们一直在致力于研究解决短纤维在橡胶中分散困难、界面粘合性差、取向困难这三大难题。
　　 三元乙丙橡胶(EPDM)具有优良的耐热和耐臭氧性能,EPDM/短纤维复合材料广泛用来制备耐热橡胶带等制品。近年来,世界性的资源危机和生态问题,使人们越来越重视对天然纤维增强高聚物复合材料的研究。其中,棉短纤维(SCF)来源于各种废旧棉制品,来源丰富,价格低廉。但是,由于氢键或原纤化作用而易于集束,未经处理的SCF在橡胶中分散困难而且与橡胶基体的粘合效果很差。
　　 本论文在以往研究的基础上,尝试新型的预处理工艺,分别选用硅烷偶联剂KH-550(3-氨丙基三乙氧基硅烷)和Si-69(双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物)对亲水性较强的SCF进行表面预处理,研究了预处理SCF对EPDM的补强效果；通过原位增容的方法,采用三种具有增容和粘合作用的改性剂,研究了其用量对SCF与橡胶基体界面粘合性能以及对SFRC力学性能的影响；选用了包括60NSF(具有特定结构的脂肪烃树脂混合物)等几种具有促进SCF分散、隔离、润滑等作用的加工助剂,应用于EPDM/SCF复合材料的制备。此外,分别对未处理SCF、5.0％KH-550预处理SCF、预处理尼龙短纤维(DN66)和木质纤维素短纤维(E-140)在EPDM中的补强性能进行了对比试验。利用橡胶加工分析仪(RPA)和扫描电镜(SEM)等现代分析测试方法,研究了偶联剂改性SCF、原位增容以及添加加工助剂等方法对EPDM/SCF复合材料结构与性能的相互关系。研究结果表明:
　　 (1)在0～20.0phr用量范围内,与未处理SCF相比,填充KH-550和Si-69预处理SCF的SFRC的力学性能均有所提高；其中,经5.0％KH-550预处理的SCF和2.5％Si-69预处理的SCF增强效果较佳；SEM结果表明,经硅烷偶联剂预处理后,SCF在橡胶基质中的分散性及其与橡胶基质的粘合性均有明显的提高；RPA分析表明,在相同其他条件下对温度、频率和应变扫描,填充5.0％KH-550预处理SCF硫化胶的弹性模量都比未添加SCF和添加未处理SCF的硫化胶要高。
　　 (2)在0～12.0phr用量范围内,随着增容剂改性酚醛树脂(RM-1)、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)和三聚氰胺低缩物(RC)用量的增加,SFRC的100％定伸应力不断提高,拉伸强度也有一定程度的提高；在相同用量情况下,EPDM-g-MAH的加入有利于提高SFRC的100％定伸应力、拉断伸长率和撕裂强度；SEM结果表明,三种增容剂均可改善EPDM基体与棉短纤维之间的界面相容性。
　　 (3)在0～15.0phr用量范围下,随着未处理SCF用量的增大,EPDM/EPDM-g-MAH/SCF复合材料的拉伸强度呈下降趋势,撕裂强度先增大后减小,硬度、永久变形和100％定伸应力不断升高；随着未处理SCF用量的增加,EPDM/EPDM-g-MAH/SCF复合材料的耐热空气老化性能变化不大。
　　 (4)随着加工助剂用量的增加,SFRC混炼胶的最小转矩ML和最大转矩MH均呈下降趋势；与蒎烯树脂、TKM-80(不同结构的烷基酚与甲醛和改性剂缩合物)和RX-80(二甲苯甲醛树脂酯化后的大分子酯类混合物)相比,60NSF对SFRC的力学性能提高效果最佳；SEM结果显示,60NSF的加入对SCF在橡胶基质中的分散性改善明显；RPA分析表明,在温度为70～120℃范围内,在相同SCF用量下,60NSF的加入使混炼胶的弹性模量大大降低。
　　 (5)在0～15.0phr用量范围内,随着短纤维用量的增加,SFRC的硬度不断上升,拉伸强度和拉断伸长率不断下降；与相同用量的未处理SCF、DN66和E-140相比,5.0％KH-550预处理的SCF填充EPDM硫化胶具有最高的撕裂强度；SEM结果显示,5.0％KH-550预处理的SCF与DN66均能在EPDM基质中较好地分散,并与基体有较强的界面粘合性。