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天然橡胶/棉浆短纤维复合材料的研究

曾铮  
【摘要】: 棉浆短纤维是一种富含纤维素的天然产物,利用它来补强的橡胶复合材料具有优异的物理机械性能、易于加工、质量轻等特点,因此具有较高的工业应用价值。本文研究了短纤维用量、取向和长度对天然橡胶(NR)复合材料性能的影响,同时还研究了乙酰化反应对短纤维表面的改性作用以及双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物(TESPT)和马来酸酐/天然橡胶接枝物(通过力化学作用制备)作为偶联剂对复合材料性能的影响。 通过简单机械共混法制备了天然橡胶/棉浆短纤维复合材料。随着短纤维用量的增加,短纤维在复合材料中取向度上升,并于30份用量时达到最大值,之后取向度略有下降;随着短纤维用量的增加,复合材料硬度不断增大,拉伸强度和断裂伸长率减小,拉伸出现屈服现象并且屈服强度不断提高,初始模量和定伸模量不断增大,T向(拉伸方向与短纤维取向垂直)断裂伸长率,屈服强度,初始模量和定伸模量均大于L向(拉伸方向与短纤维取向平行);此外,随着短纤维用量的增加,复合材料的溶胀平衡较迟达到,并且L向溶胀率明显小于T向溶胀率;含较长短纤维的复合材料拉伸强度与断裂伸长率较低,并且具有更为优异的耐溶胀性能。 对短纤维进行改性以降低亲水性,从而提高其与橡胶基体之间的相容性。因此在1500C下利用乙酸酐对短纤维进行乙酰化反应改性,并研究反应时间对短纤维性能的影响。随着反应时间的增加,乙酰化纤维酯化含量不断增加,在反应时间为90min之后趋于稳定值;全反射红外光谱分析(ATR-FTIR)证明了乙酰化反应的发生;X-射线衍射分析(XRD)证明了乙酰化反应消除了短纤维的部分结晶相,从而降低了材料结晶度;静态和动态接触角测试表明乙酰化反应降低短纤维的本征亲水性,随着反应时间的增加,接触角不断增大,表面能逐渐缩小;场发射扫描电子显微镜测试(FESEM)证明了乙酰化反应去除了短纤维表面的蜡层从而使短纤维表面变得光滑。 TESPT被用作原位表面改性剂以改善短纤维和橡胶基体之间的界面结合力。交联密度测试证明了TESPT的加入提高了复合材料的交联密度,这说明TEPST参与了硫化网络的形成;Lorenz-Park曲线证明加入TESPT后基体与填料之间的结合力增强;随着TESPT的加入,复合材料的机械性能得到了一定的提高,但是在TESPT用量对复合材料的性能没有明显影响;随着短纤维用量的增加,含TESPT的复合材料的力学性能比不含TESPT的复合材料有着明显提高,从应力-应变曲线中也可以看到含TESPT的复合材料的屈服强度和初始模量更大,这说明了TESPT的加入增强了基体与短纤维之间的结合力;并且利用拉伸测试三阶段模型来解释应力-应变曲线中所出现的现象;动态力学性能测试(DMA)证明在相同短纤维用量下,含TESPT的复合材料的弹性模量更大,玻璃化转变温度更高,损耗因子更小,这充分说明了TESPT的加入更有效地束缚了橡胶分子链的运动;扫描电镜测试(SEM)表明从含TESPT的复合材料中拔脱的短纤维表面更为粗糙,这也证明了在TESPT的作用下,基体与短纤维之间较强的结合力。 在不使用引发剂的情况下采用剪切力引发的力化学作用制备马来酸酐接枝天然橡胶(MNR),并研究MNR作为偶联剂时对天然橡胶/短纤维复合材料性能的影响。红外光谱分析(FTIR)分析证明了马来酸酐被成功地接枝于天然橡胶分子链上,并且羰基峰的偏移也说明了马来酸酐与短纤维之间的氢键作用;利用滴定法测定马来酸酐接枝量,随着马来酸酐用量的增加,接枝量不断提高;对复合材料的机械性能测试表明加入MNR作为偶联剂后,复合材料的机械性能得到了改善;Kraus曲线和FESEM测试表明,加入MNR后短纤维与橡胶基体之间的界面结合力增强;并且根据DMA测试结果,在相同短纤维用量下,含MNR的复合材料具有较高的弹性模量。


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