芳纶短纤维对天然橡胶胶料性能的影响

邱 健 ，蒋超杰，严 刚，李文超，葛孚宇，高 浩，李 利

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

短纤维分为很多种类，在轮胎中的应用种类最多，不同种类的短纤维在轮胎胎面胶中的应用在各大轮胎企业得到了广泛的研究，结果表明加入短纤维可以显著提升胎面胶的性能。芳纶短纤维具有高强度、抗拉伸、耐高温、优异的抗切割和耐化学腐蚀性能，现阶段芳纶短纤维应用的主要研究方向是将芳纶短纤维加入到轮胎胎面胶中以提高胎面胶的拉伸性能和耐磨性能，降低滚动阻力。A.L.WALKER等[1]在工程机械轮胎胎面胶中加入质量分数为2.5%的纤维素短纤维，胎面胶的耐磨性能提高，与未添加纤维素短纤维的胎面胶的轮胎相比，添加纤维素短纤维的胎面胶的轮胎的使用寿命延长80%。R.DATTA等[2]在载重轮胎胎面胶中加入了芳纶短纤维，胎面胶的抗切割性能和抗撕裂性能增强，生热降低，动态力学性能提高。黄振华等[3]将改性短纤维FB-200应用于巨型全钢工程机械子午线轮胎胎面胶中，发现当FB-200质量分数为4%时胎面胶的综合性能最优，轮胎的生热最低。

本工作基于轮胎胎面胶配方，研究芳纶短纤维长度和用量对天然橡胶（NR）胶料性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

NR，牌号RSS3，泰国产品；芳纶短纤维，纤度为900dtex，惠平碳纤维有限公司产品；炭黑N234，美国卡博特公司产品；氧化锌、硬脂酸、防老剂4020、微晶蜡、防焦剂CTP、硫黄和促进剂TBBS，工业级，市售品。

1.2 配方

试验配方（用量/份）为：NR 100，炭黑N234 50，氧化锌 3，硬脂酸 1，防老剂4020 3，微晶蜡 1，防焦剂CTP 0.3，硫黄 1.2，促进剂TBBS 1.6，芳纶短纤维 变量。

1.3 主要设备和仪器

SK-168型开炼机，上海双翼橡塑机械有限公司产品；RM-200C型密炼机，哈尔滨哈普电气有限公司产品；XLD-400×400×2型平板硫化机，青岛亿朗橡胶装备有限公司产品；PREMIER MV型门尼粘度计、MDR-C型无转子硫化仪和RPA2000橡胶加工分析（RPA）仪，美国阿尔法科技有限公司产品；Wallace H-14IRHD型橡胶硬度计，英国华莱士公司产品；Instron 3365型万能试验机，美国英斯特朗公司产品；DIN53512-1988型弹性体试验机和SS-5643-D型DIN磨耗试验机，中国台湾松恕检测仪器有限公司产品；EPLEXOR 150N型动态力学分析（DMA）仪，德国GABO公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 混炼胶

块状NR先在开炼机上塑炼成薄片，再制成条状。

胶料混炼分两段进行。一段混炼在密炼机中进行，密炼机的转子转速为90 r·min-1，密炼室初始温度为90 ℃，冷却水温度为40 ℃，具体混炼工艺为：加入NR（60 s）→提压砣→加入50%炭黑→压压砣（50 s）→提压砣→加入剩余50%炭黑→压压砣（50 s）→提压砣→加入除硫黄和促进剂以外的小料→压压砣（50 s）→提压砣→加入芳纶短纤维→压压砣→提压砣→翻胶→压压砣（50 s）→提压砣→翻胶→压压砣（50 s）→停车排胶，密炼总时长6 min。二段混炼在开炼机上进行，将开炼机的辊距设置为3 mm进行3次压片，然后将辊距调整为0.2 mm进行15次薄通，同时加入硫黄和促进剂，然后左右割胶、打三角包交替进行3～5次，调整辊距为3 mm下片。

混炼胶静置12 h后进行硫化。

1.4.2 硫化胶

混炼胶用平板硫化机进行硫化，硫化条件为150 ℃×1.3t90。

1.5 测试分析

（1）门尼粘度：按照GB/T 1232.1—2016进行测试。

（2）硫化特性：按照GB/T 16584—1996进行测试，测试温度为150 ℃。

（3）RPA分析：采用RPA2000橡胶加工分析仪进行测试，应变范围为0.28%～100%，温度为60℃，频率为1 Hz。

（4）邵尔A型硬度：按照GB/T 531.1—2008进行测试。

（5）拉伸性能和撕裂强度：分别按照GB/T 528—2009和GB/T 529—2008进行测试，拉伸速率均为500 mm·min-1。

（6）回 弹 值：按 照GB/T 1681—2009 进 行测试。

（7）DIN磨耗量：按照GB/T 9867—2008进行测试，取5次平行试验的平均值。

（8）动态力学性能：采用DMA仪进行测试，扫描温度范围为－65～65 ℃，升温速率为10℃·min-1，频率为10 Hz，应变为0.01%。

2 结果与讨论

2.1 门尼粘度

芳纶短纤维长度为3 mm时不同芳纶短纤维用量的胶料的门尼粘度如图1所示。

从图1可以看出：随着芳纶短纤维用量的增大，混炼胶的门尼粘度先减小后增大；当芳纶短纤维用量为2份时，混炼胶的门尼粘度最小，这可能是当芳纶短纤维用量较小时，其线性结构在混炼胶中有一定的取向，门尼粘度仪做周向剪切时取向的芳纶短纤维携带着NR分子链运动，增加了胶料的流动性[4-8]。

芳纶短纤维用量为2份时，2，3和6 mm长度的芳纶短纤维胶料的门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]分别为38.09，38.25和28.96。可以看出：添加2和3 mm长度的芳纶短纤维，胶料的门尼粘度差异很小，这可能是因为芳纶短纤维的长径比相差不大，门尼粘度仪做周向剪切时取向的芳纶短纤维对NR分子链的运动影响很小；添加6 mm长度的芳纶短纤维，混炼胶的门尼粘度显著降低，这可能是因为芳纶短纤维的长径比增幅较大，在门尼粘度仪做周向剪切时长径比大的芳纶短纤维在发生取向后更易于携带NR分子链运动，从而增加胶料的流动性[9-14]。

2.2 硫化特性

芳纶短纤维长度为3 mm时芳纶短纤维用量对胶料硫化特性的影响如表1所示。

表1 芳纶短纤维用量对胶料硫化特性的影响Tab.1 Effect of short aramid fiber amounts on vulcanization characteristics of compounds

从表1可以看出：随着芳纶短纤维用量的增大，胶料的FL，Fmax和Fmax－FL逐步增大，这可能是由于芳纶短纤维自身的流动性较差，其用量增大使得胶料整体流动需要的转矩增大；胶料的t10和t90逐步延长，表示胶料的安全性提高，硫化效率降低。

芳纶短纤维用量为2份时芳纶短纤维长度对胶料硫化特性的影响如表2所示。

表2 芳纶短纤维长度对胶料硫化特性的影响Tab.2 Effect of short aramid fiber lengths on vulcanization characteristics of compounds

从表2可以看出，当芳纶短纤维长度为3 mm时，胶料的FL，Fmax和Fmax－FL最大，这表明3 mm长度的芳纶短纤维与NR基体之间结合性能更优异，产生的物理交联网络更多，对NR的补强效果更好。当芳纶短纤维的长度为2 mm时，胶料的Fmax－FL最小，这可能是因为芳纶短纤维因长径比太小而不能与NR基体之间形成较强的物理交联作用。当芳纶短纤维长度为6 mm时，芳纶短纤维的长径比相对较大，芳纶短纤维与NR基体之间的物理交联作用也较强，且在用量相同下与3 mm长度的芳纶短纤维相比，6 mm长度的芳纶短纤维根数较少，致使其与NR基体的粘合性能较好，形成的物理交联作用较大，但交联点较少，导致胶料的交联密度下降。由此可见，随着芳纶短纤维长度的增大，其分散性越来越好，胶料的导热性增强，t90缩短。

2.3 RPA分析

芳纶短纤维长度为3 mm时不同芳纶短纤维用量的胶料的弹性模量（G′）-应变曲线如图2所示。

图2 不同芳纶短纤维用量的胶料的G′-应变曲线Fig.2 G′-strain curves of compounds with different short aramid fiber amounts

从图2可以看出：随着应变的增大，胶料的G′呈现非线性下降的趋势，这可能是因为随着应变的持续增大，NR基体与填料之间的网络结构被不断破坏，胶料的G′减小；胶料的Payne效应在芳纶短纤维用量为2份时最弱，此时随着应变的增大，硫化胶的G′减小幅度最小，说明添加2份芳纶短纤维对形成NR与填料间的网络结构是最有利的。依据填料的聚集动力学规律，其粘度越低，填料越容易聚集，所以此时芳纶短纤维的分散性及其与NR基体的结合性最好。

芳纶短纤维用量为2份时不同长度芳纶短纤维胶料的G′-应变曲线如图3所示。

图3 不同长度芳纶短纤维胶料的G′-应变曲线Fig.3 G′-strain curves of compounds with different short aramid fiber lengths

从图3可以看出，随着芳纶短纤维长度的增大，胶料的G′逐渐减小，说明芳纶短纤维在NR基体中的分散性增强，这可能是因为芳纶短纤维用量相同时，长度较大的芳纶短纤维根数较少，受到剪切应力时较长的芳纶短纤维流动性更好，因此在NR基体中的分散性更好。

2.4 物理性能

芳纶短纤维长度为3 mm时芳纶短纤维用量对硫化胶物理性能的影响如表3所示。

表3 芳纶短纤维用量对硫化胶物理性能的影响Tab.3 Effect of short aramid fiber amounts on physical properties of vulcanizates

从表3可以看出，随着芳纶短纤维用量的增大，硫化胶的拉伸强度先增大后减小，在芳纶短纤维用量为2份时最大，这可能是因为当芳纶短纤维用量不足2份时，由于用量过小，芳纶短纤维被NR基体充分包裹，虽然分散较为均匀，但无法起到骨架的作用，当硫化胶受到外力时，芳纶短纤维发挥的支撑作用不大。当芳纶短纤维用量大于2份时，随着芳纶短纤维用量的增大，硫化胶的拉伸强度和拉断伸长率呈减小趋势，定伸应力和撕裂强度呈增大趋势，这主要是由于芳纶短纤维的分子结构含有较大的苯环，使其具有较大的刚性和模量，从而在受到撕裂应力时能有效防止裂纹扩展，使硫化胶的撕裂强度增大，但芳纶短纤维用量过大时，虽然其在NR基体中的骨架作用较为明显，但会出现分散性较差的情况，这会导致硫化胶的断裂点增多，从而限制周边NR分子链的运动[15-17]。

从表3还可以看出，随着芳纶短纤维用量的增大，硫化胶的回弹值先略有减小，最终基本稳定在52%，而硫化胶的DIN磨耗量先略微减小然后逐渐增大，当芳纶短纤维用量为1和2份时DIN磨耗量最小，为0.171 cm3。分析认为：芳纶短纤维用量较小时，芳纶短纤维在NR基体中的分散性好，磨损首先发生在NR基体，然后再磨损芳纶短纤维，而芳纶短纤维的耐磨性较好，因此硫化胶的耐磨性能好；当芳纶短纤维用量过大时，芳纶短纤维在NR基体中的分散性变差，这是因为在磨损掉一部分NR基体后，裸露的芳纶短纤维分散不均，使得摩擦面上应力集中的点增多，导致摩擦力变大，从而增大磨耗量。

芳纶短纤维用量为2份时芳纶短纤维长度对硫化胶物理性能的影响如表4所示。

表4 芳纶短纤维长度对硫化胶物理性能的影响Tab.4 Effect of short aramid fiber lengths on physical properties of vulcanizates

从表4可以看出：芳纶短纤维长度为2 mm时，硫化胶的定伸应力和拉伸强度最大；芳纶短纤维长度为3 mm的硫化胶的定伸应力和拉伸强度略小于芳纶短纤维长度为2 mm的硫化胶，但撕裂强度显著增大，原因可能是对于硫化胶的拉伸，2 mm长度的芳纶短纤维的长径比适中，与NR基体表面的结合更好，能够充分发挥纤维骨架的作用，在一定程度上提高了硫化胶的拉伸性能，但长度较短的芳纶短纤维的刚性较小，同时在用量相同时较短的芳纶短纤维的根数较多，在NR基体中的应力集中的点也更多，从而减小了硫化胶的撕裂强度。芳纶短纤维长度为6 mm时，芳纶短纤维与NR基体形成的交联点较少，硫化胶的拉伸强度较小，受到撕裂应力时，撕裂界面的芳纶短纤维的含量较低，不能充分发挥其刚性，因此相较于芳纶短纤维长度为3 mm的硫化胶，芳纶短纤维长度为6 mm的硫化胶的撕裂强度较小。

2.5 DMA分析

芳纶短纤维长度为3 mm时不同芳纶短纤维用量的硫化胶的损耗因子（tanδ）-温度曲线如图4所示。

图4 不同芳纶短纤维用量的硫化胶的tan δ-温度曲线Fig.4 tan δ-temperature curves of vulcanizates with different short aramid fiber amounts

从图4（a）可以看出：芳纶短纤维用量相同时，随着温度升高，硫化胶的tanδ先增大后减小，约在－49 ℃最大，约在0 ℃之后趋于平稳；随着芳纶短纤维用量的增大，硫化胶的tanδ最大值减小，这可能是因为芳纶短纤维分散性变差，同时芳纶短纤维与NR基体之间的相互作用力增大，抑制了NR分子链的活动。

0 ℃时的tanδ反映硫化胶的抗湿滑性能，其值越大，硫化胶的抗湿滑性能越好。从图4（b）可以看出，适量添加芳纶短纤维可有效改善硫化胶的抗湿滑性能，当芳纶短纤维用量为2份时，硫化胶的抗湿滑性能最好，这可能是因为芳纶短纤维用量为2份时，其分散性以及与NR基体之间的结合较好，从而提高了硫化胶的抗湿滑性能。

60 ℃时的tanδ反映硫化胶的生热和滚动阻力，其值越小，硫化胶的生热与滚动阻力越低。从图4（c）可以看出，加入芳纶短纤维后，硫化胶的生热和滚动阻力基本呈升高趋势，这可能是因为芳纶短纤维的热传导效率低于NR基体，导致生热升高。

3 结论

（1）当芳纶短纤维长度为3 mm时，随着芳纶短纤维用量的增大，硫化胶的拉伸强度先增大后减小，定伸应力和撕裂强度逐渐增大，拉断伸长率减小；芳纶短纤维用量为2份时，胶料的Payne效应最弱，说明此时芳纶短纤维在NR中的分散性最好，硫化胶的拉伸强度最大，耐磨性能和抗湿滑性能最好。

（2）当芳纶短纤维用量为2份时，芳纶短纤维长度为2 mm的胶料的Payne效应最弱，硫化胶的定伸应力和拉伸强度最大，拉断伸长率和撕裂强度最小；芳纶短纤维长度为3 mm的硫化胶的定伸应力和拉伸强度略小于芳纶短纤维长度为2 mm的硫化胶，但撕裂强度明显增大。

综合来看，添加2份3 mm芳纶短纤维的硫化胶的综合性能最佳。