玄武岩纤维天然橡胶复合材料的制备及性能研究
作者单位：青岛科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：张德伟
授予年度：2022年
学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）]
摘 要：天然橡胶是人类社会生活中不可或缺的一种高分子材料,以其良好的耐磨性、可塑性、耐酸碱性、抗疲劳性等性能被应用于各个领域中,并在其中发挥着极其重要的作用。但天然橡胶的物理性能无法满足实际应用中的各种需求,因此需要在橡胶配方中添加各种补强材料,以提高复合材料的综合性能及成品使用性能。短纤维添加到橡胶材料中既可保留天然橡胶的高弹性,又能发挥短纤维的补强性能,并且短纤维在橡胶基体中经过取向,可以充分发挥其各向异性,有利于成品性能的提升。玄武岩纤维(BF)是一种分布广泛、绿色环保的天然纤维,具有耐高温、耐化学性、耐久性、无污染、可自然降解等优良性能。将玄武岩纤维与橡胶相结合,可赋予复合材料高硬度、耐高温等综合性能,已成为科学研究的热点之一。但由于玄武岩纤维具有易聚集、模量大、表面光滑、化学惰性高等特点,导致其与橡胶基体结合时易出现难混合、难结合、难成型等技术难题。因此,针对上述难题,本文主要探究了玄武岩纤维的改性机理及补强机理,以及预处理方法,制备了玄武岩纤维/天然橡胶复合材料(BF/NR复合材料);研究了玄武岩纤维长度、添加份数,改性剂添加份数,以及不同加工工艺对BF/NR复合材料综合性能的影响。具体工作如下:1.研究了玄武岩纤维增强天然橡胶复合材料的改性及补强机理。针对玄武岩纤维的自身特点,重点探究了Si69和油酸钾对玄武岩纤维进行改性的作用机理,研究分析了改性过程中的影响因素及其化学反应方式;在此基础上,研究了玄武岩纤维补强天然橡胶的机理,由此建立了玄武岩增强天然橡胶复合材料的理论,从而为本文的研究提供了理论基础。2.研究了玄武岩纤维的预处理工艺及方法。针对玄武岩纤维表面较为光滑、表面能低、化学惰性高等问题,在使用丙酮处理的基础上,通过冰醋酸溶液对玄武岩纤维进行了预处理,并以此制备预处理BF/NR复合材料。扫描电镜(SEM)图像表明,经冰醋酸处理后的玄武岩纤维表面被刻蚀出凹槽,表面粗糙度增大,与橡胶基体的结合位点增加。硫化性能测试表明,复合材料正硫化时间与门尼粘度升高,表明冰醋酸预处理玄武岩纤维可以降低胶料的流动性,提高交联密度;力学性能测试表明,复合材料拉伸强度最大提高了15.3%,撕裂强度最大提高了18.1%,磨耗量下降了7.8%;动态力学测试表明,复合材料Payne效应减弱,抗湿滑性能提高。3.研究了玄武岩纤维长度及添加份数对BF/NR复合材料综合性能的影响。通过设定配方参数变量(纤维长度:3mm、6mm、9mm;添加份数:0、3、5、7、10)制备了BF/NR复合材料,并进行了参数对比实验。实验结果表明:随着纤维添加份数的增大,复合材料的力学性能呈先升高后降低的趋势,且在纤维长度为3mm、添加份数为5份时取得最佳值:其拉伸强度提高了18.4%,撕裂强度则提高了10.3%,磨耗量下降了6.2%,断裂伸长率较其它参数的复合材料有所提高;动态力学性能测试表明,复合材料的Payne效应减弱,并且复合材料玻璃化转变温度右移,损耗因子下降;热稳定性测试表明,3mm、5份的玄武岩纤维失重速率放缓,热稳定性有所提升。4.探究了玄武岩纤维的改性工艺及方法,并结合实验研究分析Si69和油酸钾两种改性剂添加份数对复合材料性能的影响。实验结果表明,Si69与油酸钾添加份数为7份时对纤维改性效果最好。能谱分析(EDS)与扫描电镜(SEM)也表明,7份时的Si69与油酸钾能比较均匀、致密地包覆在纤维表面,提高了界面结合强度;力学性能测试表明,7份Si69与油酸钾的复合材料性能最佳,其拉伸强度分别提高了11.7%、15.6%,撕裂强度分别提高了10.5%、12.1%,磨耗量则分别下降了14.1%、14.7%。5.研究不同的加工工艺对BF/NR复合材料性能的影响。采用“密炼+开炼、“密炼+挤出的加工工艺制备复合材料,研究分析不同加工工艺、纤维不同取向方向对BF/NR复合材料力学性能、动态力学性能的影响。实验结果表明,经“密炼+挤出制备的复合材料,橡胶基体中纤维取向方向较为一致,径向取向度较高。其损耗因子峰值降低,60°C时的损耗因子较“密炼+开炼加工工艺降幅最大:添加Si69时降幅最大为15.3%,添加油酸钾时降幅最大为17.1%,表明“密炼+挤出成型工艺可降低复合材料的滚动阻力。综上所述,玄武岩纤维经过预处理改性添加到橡胶材料中,并在橡胶基体中取向,不仅可以提高纤维与橡胶基体的结合强度,还能提高复合材料的力学性能,降低滚动阻力,应用前景广阔,为生产实际提供了一定的参考价值。
同方学位论文库