本發(fā)明涉及一種以氯丁橡膠為基體，配有芳綸短纖維、玄武巖短纖維定向增強(qiáng)的橡膠復(fù)合材料。是一種可用增強(qiáng)橫向剛性但不影響縱向柔性的彈性體材料，可用于橡膠傳動(dòng)帶等橡膠制品。

背景技術(shù)：

帶傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)重要的傳動(dòng)形式之一，隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高以及對(duì)機(jī)械設(shè)備精密化、輕量化，功能化和個(gè)性化的要求，不斷向高精度、高速度、大功率、高效率、高可靠性、長(zhǎng)壽命、低噪聲、低振動(dòng)、低成本、環(huán)保和緊湊化發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，傳動(dòng)形式愈來(lái)愈多。近年來(lái)，對(duì)節(jié)能、環(huán)保、舒適、安全等方面的要求越來(lái)越高，傳動(dòng)帶使用一般補(bǔ)強(qiáng)填充劑增強(qiáng)橡膠遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了帶的使用要求，尤其是帶實(shí)現(xiàn)線繩化、聚酯化后，帶體較軟，橫向剛度低，加之聚酯線繩具有熱收縮特性，造成帶硫化時(shí)強(qiáng)力層線繩位移，使成品帶強(qiáng)力層排列不整齊，嚴(yán)重影響了帶的使用壽命。必須提高底膠的橫向剛度又不影響帶縱向柔性。在底膠中加入定向短纖維無(wú)疑是解決問(wèn)題的最好辦法。短纖維群在帶壓縮層中是按橫向定向，這樣可明顯提高帶的橫向剛度和承受側(cè)面壓力的作用，使載荷更均勻地分布在全部強(qiáng)力層上，以提高帶的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，從而彌補(bǔ)線繩結(jié)構(gòu)帶橫向剛度差的不足。還可以有效地防止帶外表面的早期破壞和提高耐磨性能。同時(shí)也增加了帶與槽輪的抓著力和降低傳動(dòng)中的嗓音。在帶伸長(zhǎng)層和壓縮層中同時(shí)實(shí)施短纖維復(fù)合，具有減小噪音、跳躍、振動(dòng)和抖動(dòng)的效應(yīng)。

芳綸纖維是一種高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和耐化學(xué)介質(zhì)的新一代工業(yè)纖維，用于彈性體復(fù)合材料可顯著提高材料的模量和強(qiáng)度。由于剛性分子鏈形成的高結(jié)晶度、高取向的分子結(jié)構(gòu)，因此對(duì)位芳綸纖維具有強(qiáng)度高、變形小、模量高(尺寸穩(wěn)定性好)、耐化學(xué)品腐蝕和耐溫性好的特點(diǎn)。李曉琳發(fā)明公開(kāi)的一種半芳香族聚酰胺短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備方法，將60-90％的干燥樹(shù)脂及10-40％的半芳香族聚酰胺短纖維，在轉(zhuǎn)速為500-2000rpm的高速混合機(jī)中預(yù)混2-10min，將預(yù)混物經(jīng)過(guò)螺桿擠出機(jī)熔融、擠出、水浴冷卻、造粒，制得半芳香族聚酰胺短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。本發(fā)明公開(kāi)的半芳香族聚酰胺短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料耐熱性高、強(qiáng)度和模量顯著提高，具有良好的綜合性能。杜邦公司將短切芳綸纖維用于傳送帶和三角帶，可以降低摩擦系數(shù)，減小生熱和使用期間的噪音，增大傳輸能力且具有高模量、耐熱老化、對(duì)傳動(dòng)輥磨損小的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是芳綸纖維單獨(dú)用于橡膠產(chǎn)品中成本較高、難取向、難分散，團(tuán)聚的芳綸纖維容易成為應(yīng)力集中點(diǎn)，大大降低產(chǎn)品使用壽命。

玄武巖纖維是一種高性能的無(wú)機(jī)硅酸鹽纖維，它是將由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣和二氧化鈦等氧化物組成的玄武巖礦石破碎后加入池窯中，在1450～1500℃熔融后，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板快速拉制而成，與芳綸、超高分子聚乙烯纖維等其它高性能纖維相比，玄武巖纖維具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如力學(xué)性能較好、耐高溫、可在-269～650℃范圍內(nèi)連續(xù)工作，耐酸堿，吸濕性低，此外還有絕緣性好、絕熱隔音性能、良好的透波性等優(yōu)點(diǎn)。周少鋒發(fā)明公開(kāi)的一種耐磨長(zhǎng)玄武巖纖維增強(qiáng)pa6復(fù)合材料及其制備方法，所述復(fù)合材料由下列重量百分比的原料制備而成，1-20wt％的固體潤(rùn)滑劑、10-40wt％的長(zhǎng)玄武巖纖維、35-87wt％的pa6母粒以及2-5wt％的加工助劑，所述加工助劑為硅烷偶聯(lián)劑或/和熱穩(wěn)定劑。制備的耐磨長(zhǎng)玄武巖纖維增強(qiáng)pa6復(fù)合材料在力學(xué)性能和摩擦性能兩方面具有更均衡的綜合性質(zhì)，耐磨能力強(qiáng)，綜合性能優(yōu)，使用壽命長(zhǎng)，制備方法簡(jiǎn)單高效，易于工業(yè)化生產(chǎn)，具有推廣價(jià)值。目前將芳綸短纖維與玄武巖纖維并用后增強(qiáng)復(fù)合材料的研究未見(jiàn)報(bào)道。玄武巖纖維比芳綸纖維價(jià)格便宜十幾倍，在橡膠基體中易于分散和取向，將玄武巖纖維與芳綸纖維并用后補(bǔ)強(qiáng)橡膠復(fù)合材料是前景發(fā)展較好的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是制備一種芳綸短纖維與玄武巖短纖維并用定向增強(qiáng)的橡膠復(fù)合材料。本發(fā)明的特點(diǎn)根據(jù)芳綸短纖維難分散難取向，玄武巖短纖維相對(duì)易取向易分散易脆斷的特性采取不同的工藝，并加入改性劑提高纖維與界面的結(jié)合強(qiáng)度。通過(guò)芳綸短纖維與玄武巖短纖維并用定向增強(qiáng)制備的橡膠復(fù)合材料比單用芳綸纖維分散好，成本低，比單用玄武巖纖維的橫向剛度大。通過(guò)改變芳綸短纖維和玄武巖短纖維的并用比及改性劑的用量可以調(diào)節(jié)橡膠復(fù)合材料的橫向剛度、動(dòng)態(tài)疲勞性能等。該復(fù)合材料工藝簡(jiǎn)單、橫向剛度大、性能優(yōu)異。

本發(fā)明具體技術(shù)措施如下，其中所述原料份數(shù)除特殊說(shuō)明外，均為質(zhì)量份數(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種芳綸短纖維與玄武巖短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，其組分和質(zhì)量百分比為：氯丁橡膠100份、增塑劑1-10份、補(bǔ)強(qiáng)劑20-100份、硫化劑5-10份、芳綸短纖維1-20份、玄武巖短纖維1-20份、硅烷偶聯(lián)劑1-3份、防老劑1-4份。

進(jìn)一步地，優(yōu)選的是：所述的增塑劑為鄰苯二甲酸酯類、芳烴類、脂肪油系中的任一種。

進(jìn)一步地，優(yōu)選的是：所述的補(bǔ)強(qiáng)劑為n330或n550其中的一種以及具有補(bǔ)強(qiáng)作用的硅酸鹽類的一種。

進(jìn)一步地，優(yōu)選的是：所述的硫化劑為氧化鋅和氧化鎂、硫脲類的一種或幾種。

進(jìn)一步地，優(yōu)選的是：所述的芳綸短纖維和玄武巖短纖維長(zhǎng)度為1mm～5mm，兩者共混比范圍為0.05～20。

進(jìn)一步地，優(yōu)選的是：所述的硅烷偶聯(lián)劑為γ-甲基丙烯?；籽趸柰榛螂p[3-(三乙氧基甲硅烷基)丙基]-四硫化物。

本發(fā)明的復(fù)合材料加工所用的混煉設(shè)備為常規(guī)的橡膠用開(kāi)煉機(jī)或密煉機(jī)。

為了得到本發(fā)明的一種芳綸短纖維與玄武巖短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，本發(fā)明提供了制備方法，具體的步驟為：

(1)將氯丁橡膠、部分補(bǔ)強(qiáng)劑、芳綸短纖維及硅烷偶聯(lián)劑在密煉機(jī)中混煉，混煉溫度不高于95℃，轉(zhuǎn)速20-50rpm，混煉時(shí)間不高于5min；

(2)將芳綸母膠及防護(hù)體系、補(bǔ)強(qiáng)劑置于密煉機(jī)中混煉，控制溫度不高于100℃，轉(zhuǎn)速20-50rpm，混煉時(shí)間不高于3min，然后加入玄武巖短纖維及硅烷偶聯(lián)劑混煉1-2min，加入硫化劑混煉不超過(guò)3min，排料；

(3)將制備好的混煉膠在開(kāi)煉機(jī)薄通10次或者在壓延機(jī)上進(jìn)行取向；

(4)混煉膠在160℃溫度下打硫化曲線，硫化條件為160℃×t90下硫化制備得芳綸短纖維與玄武巖短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料。

本發(fā)明提出的一種芳綸短纖維與玄武巖短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的制備，首先通過(guò)制備芳綸母膠和加入硅烷偶聯(lián)劑提高芳綸短纖維在橡膠基體中的分散，然后在后面混煉的過(guò)程中加入玄武巖纖維和改性劑等共混制備得到復(fù)合材料。玄武巖短纖維芳綸纖維價(jià)格是玄武巖纖維的十倍，采用玄武巖纖維與芳綸纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，既可以降低成本，又有助于芳綸纖維定向取向和分散。

本發(fā)明制備的復(fù)合材料硫化膠達(dá)到的力學(xué)性能為：短纖維取向沿拉伸試樣方向：硬度80～90(邵a)；拉伸強(qiáng)度(室溫)10～15mpa；拉斷伸長(zhǎng)率200～300％；撕裂強(qiáng)度50kn/m；屈撓次數(shù)為2000-5000次；動(dòng)剛度為5000-7000n/mm。本發(fā)明制備的復(fù)合材料，工藝簡(jiǎn)單，加工性能優(yōu)良，性能滿足傳動(dòng)帶使用要求。

附圖說(shuō)明

圖1芳綸短纖維/玄武巖短纖維(20/0)定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

圖2芳綸短纖維/玄武巖短纖維(10/10)定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

圖3芳綸短纖維/玄武巖纖維(0/20)定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(實(shí)施例5)

圖4芳綸短纖維/玄武巖短纖維(0/20)定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(實(shí)施例6)

具體實(shí)施方式

下面的實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1-5的配方列于表1。

表1實(shí)驗(yàn)配方

對(duì)比例1制備方法為：

1)芳綸母膠：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入cr混煉1min，加入芳綸纖維和部分炭黑混煉2min后清掃排膠，排膠溫95℃左右。

2)一段混煉膠：進(jìn)料溫度55℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入芳綸母膠混煉1.5min，加入各種小料、填料、doa后混煉2min后清掃排膠，排膠溫95℃左右。

3)二段混煉：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速20rpm，加入膠料和硫化劑，1.5min后排膠，排膠溫度95℃左右。

4)將上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模壓，壓力10mpa，按160℃*t90硫化。

實(shí)施例2-4的制備方法為：

1)芳綸母膠：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入cr混煉1min，加入芳綸纖維和部分炭黑混煉2min后清掃排膠，排膠溫95℃左右。

2)一段混煉膠：進(jìn)料溫度55℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入芳綸母膠混煉1.5min，加入各種小料、填料、doa后混煉2min，然后加入玄武巖短纖維、硅烷偶聯(lián)劑，1min后清掃排膠，排膠溫95℃左右。

3)二段混煉：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速20rpm，加入膠料和硫化劑，1.5min后排膠，排膠溫度95℃左右。

4)將上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模壓，壓力10mpa，按160℃*t90硫化。

對(duì)比例5制備方法為：

1)一段混煉膠：進(jìn)料溫度55℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入cr混煉1.5min，加入各種小料、填料、doa后混煉2min，然后加入玄武巖短纖維、硅烷偶聯(lián)劑，1min后清掃排膠，排膠溫95℃左右。

2)二段混煉：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速20rpm，加入膠料和硫化劑，1.5min后排膠，排膠溫度95℃左右。

3)將上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模壓，壓力10mpa，按160℃*t90硫化。

對(duì)比例6制備方法為：

1)玄武巖纖維母膠：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入cr混煉1min，加入玄武巖纖維和部分炭黑混煉1min，2min后清掃排膠，排膠溫95℃左右。

2)一段混煉膠：進(jìn)料溫度55℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入玄武巖纖維母膠混煉1.5min，加入各種小料、填料、doa后混煉2min清掃排膠，排膠溫95℃左右。

3)二段混煉：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速20rpm，加入膠料和硫化劑，1.5min后排膠，排膠溫度95℃左右。

4)將上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模壓，壓力10mpa，按160℃*t90硫化。

對(duì)比例7制備方法為：

1)一段混煉膠：進(jìn)料溫度55℃，轉(zhuǎn)速30rpm，加入cr混煉1.5min，加入各種小料、填料、doa后混煉2min后清掃排膠，排膠溫95℃左右。

2)二段混煉：進(jìn)料溫度50℃，轉(zhuǎn)速20rpm，加入膠料和硫化劑，1.5min后排膠，排膠溫度95℃左右。

3)將上述加工好的共混料取26重量份放入模具中模壓，壓力10mpa，按160℃*t90硫化。

制備的熱塑性硫化膠的力學(xué)性能按照astm規(guī)定方法測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2是纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的基本物理性能，對(duì)比例1為純芳綸短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，實(shí)施例2、3、4芳綸短纖維與玄武巖短纖維并用定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，前期的研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維容易分散和取向，對(duì)比例5-6是玄武巖短纖維采用不同工藝制備的玄武巖短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料。對(duì)比例5是直接混煉，且在一段混煉的最后加入，而對(duì)比例6是制備玄武巖纖維母膠，然后再混煉制備復(fù)合材料。對(duì)比例7是未加短纖維的。從表中可以看出未加短纖維的對(duì)比例7與加入短纖維的橫向剛度明顯低很多。實(shí)施例2-4的拉斷伸長(zhǎng)率和屈撓性能明顯好于對(duì)比例1，動(dòng)剛度明顯高于對(duì)比例5、6、7。對(duì)比例5雖然比對(duì)比例6性能好，但是動(dòng)剛度明顯低于實(shí)施例2-4。所以實(shí)施例2-4的綜合性能相對(duì)來(lái)說(shuō)較好。圖1是純的芳綸短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，圖中可以看出芳綸纖維有團(tuán)聚，分散較差，取向度也差，這跟表2中屈撓性能和拉斷伸長(zhǎng)率差相一致；圖2是相同用量的芳綸短纖維與玄武巖短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料，可以看出纖維成團(tuán)現(xiàn)象有所減輕，分散均勻度有所提高；圖3是純的玄武巖短纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料(對(duì)比例5制備方法)，而圖4是純的玄武巖纖維定向增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料(對(duì)比例6制備方法)，可以看出圖3、4的玄武巖短纖維取向和分散好，但圖4的玄武巖短纖維有些長(zhǎng)徑比明顯減小，說(shuō)明玄武巖短纖維在加工過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，這與表2中對(duì)比例6動(dòng)剛度和硬度都比對(duì)比例5小是一致的。從表2和圖1-4綜合比較，芳綸短纖維與玄武巖短纖維并用定向增強(qiáng)制備橡膠復(fù)合材料可以獲得較好的綜合性能，可以根據(jù)產(chǎn)品對(duì)動(dòng)剛度的需要來(lái)改變兩者共混比。

表2物理機(jī)械性能