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预分散短纤维: 一种增强橡胶化合物低成本高效益的方法
  浏览次数:4359  发布时间:2018年06月28日 16:27:14
[导读] 过去数十年来,用表面处理的纺织丝线和钢丝线来加固橡胶制品。这些材料在橡胶制品的制造中得到了广泛的应用,因为它们提供了保持形状和耐久性的关键性能特性。几个应用例子包括:轮胎(带束层、胎冠层、胎体层、胎圈层);工业产品(针织层、编结层或缠绕编织层软管);输送带(钢丝绳芯橡胶输送带、织物芯橡胶输送带)。
 
过去数十年来,用表面处理的纺织丝线和钢丝线来加固橡胶制品。这些材料在橡胶制品的制造中得到了广泛的应用,因为它们提供了保持形状和耐久性的关键性能特性。几个应用例子包括:轮胎(带束层、胎冠层、胎体层、胎圈层);工业产品(针织层、编结层或缠绕编织层软管);输送带(钢丝绳芯橡胶输送带、织物芯橡胶输送带)。当然,使用丝线为最终产品增加了很大的成本,因为,与没有这种类型增强的橡胶产品的生产相比,它们的使用需要更复杂的生产过程。例如,对于轮胎,可能含有增强附着力的化学物质的橡胶化合物必须采用工业轮压机在经过化学处理的纺织织物或黄铜镀铜钢丝线上处理,形成必要的带状和层状。每根丝线增强组件必须单独生产,然后使用复杂的机器“结合”在一起生产用于随后硫化的未硫化胎。
 
已经表明,对于某些应用,更便宜的材料可以用来加强橡胶和提供高水平的强度和耐久性。一个很好的例子是使用短纤维增加复合物理性能,以提供湿态形状保持性,降低挤出膨胀,并在整个橡胶产品的使用寿命期间给予所需的强度。短纤维提供的其它性能改进是降低了切痕成长和更佳的碎片块抗性。在许多应用中短纤维并未取代帘线增强,但它们的使用已经显示,与帘线结合,或在帘线缺失时可提高产品的性能。
 
图1、短纤维长径比
 
相对于其它增强材料,短纤维的独特几何形状有助于在加入橡胶化合物时提供正面的物理性能。这个几何形状用长径比来描述,它被定义为纤维长度/纤维直径(图1)。即使在不能采用低份量补强的情况下,长径比可使短纤维与常规微粒形成紧密连接结构来实现增强。因此,短纤维提供了优异的强度特性,减少了高应变力造成的缺陷。表1列出了一些短纤维类型的典型长径比,其中包括两个是本文的重点: Rhenogran WP(木浆纤维)和Rhenogran P91和P95(芳纶浆粕纤维)。这两种纤维类型都能提高橡胶复合物的弹性模量和抗拉强度。芳纶纤维具有极高的长径比和韧性,可提供最大程度的增强。
 
表1、各种短纤维类型的比较
 
图2和图3显示了短纤维与其它增强材料的不同之处。当高应力应用于具有良好整体分散性的橡胶零件时,该零件将保持其完整性。然而,当相同的力被应用到有分散不良或凝聚颗粒的橡胶部件时,橡胶和粒子之间的界面会发生断裂,从而导致失效。含有良好分散短纤维的同一橡胶制品在类似的应变下能抵抗断裂,很有可能在不失效的情况下抵抗更高的应变。
 
图2、未分散的填料颗粒可能导致过早失效
图3、短纤维可防止过早失效
图4、各向异性* — 纤维定向作用
图5、短纤维橡胶复合材料的各向异性
 
短纤维性能的第二个重要方面是它们在橡胶化合物中的排列。短纤维是各向异性的,这意味着它们的性能在橡胶基体中相对于它们的取向会有所不同。纤维在通过典型的加工系统移动时,倾向于在复合流方向纵向对齐(图4)。一致性的证据见图5。在这里,当纤维排列从纵向(流动方向)向横向(垂直于流动方向)转移时,模量会显著地变化。同样,图6显示了纤维排列的纵向和横向方向之间的表面刚度和阻抗力的变化。其实,较好排列的纤维在一定程度上会作为持续的补强材料。
 
表2、侧重极性的聚合物化合物配方
表3、侧重极性的聚合物物理特性
 
表4、侧重非极性高分子的化合物配方
 
本文综述了两种广泛应用的短纤维的性能,包括木浆纤维和芳纶浆粕纤维,以及它们对橡胶复合性能的积极影响。这些纤维在弹性粘合剂中发挥最大化性能的极端重要倾向将被说明。
 
表5、侧重非极性的聚合物物理特性
表6、聚合物结合芳纶纤维Rhenogran P95和P91的种类
 
预分散木浆纤维(Rhenogran WP)
 
木浆纤维是一种丰富、可再生的木质纤维素纤维材料。来自这个可再生资源的短纤维可以为基于许多弹性体(包括EPDM、SBR、NR、CR和PVC)的各种橡胶制品提供良好的形状保留和提高其使用寿命。这些纤维很容易从森林或造纸工业获得,且还可以用其它(生物)复合材料(如锯木厂残渣)生产。通常,硬木纤维由以下步骤产生:
 
★ 采伐树木,然后制成木屑
 
★ 将木屑进行化学或机械分解,并精制成纤维浆料
 
★ 干燥纤维浆料到最后状态
 
★ 将纤维浆料压成薄片
 
图6、各向异性,纤维定向作用
图7、纤维份量对拉伸强度和断裂伸长率的影响
 
为了生产Rhenogran WP,木浆被粉碎,然后结合各种弹性体;对于某些产品,添加含间苯二酚-甲醛树脂。为了最大限度地提高纤维对橡胶的附着力,建议在化合物中加入一个亚甲基供体。最终产品是一种提高了复合性能,降低了复合成本的易于分散的母粒。Rhenogran WP再分散作用令其在非极性和极性弹性体中均可分散良好,并在非极性弹性体,如三元乙丙橡胶中实现了最好的分散。木浆纤维添加到橡胶化合物的好处如图7和8所示。图7显示了增加木浆纤维量其抗拉强度显著增加,伸长率明显降低。采用ASTM die C方法测量,即使在低负荷下木浆纤维也改善了抗扯强度(图8)。
 
图8、低含量无粘结 Rhenogran WPDX-73/SBR对NR OTR轮胎胎面撕裂强度的影响
 
应用
 
一般而言,木浆纤维在低温下(小于125℃)的应用将表现良好:
 
★ 轮胎 - 减少帘线刺穿内衬层的风险
 
★ 输送带 - 耐磨、耐撕裂性
 
★ 软管 - 低压力应用中的形状保持和良好性能
 
★ 模压制品-改善模量、吸振和抗撕裂性
 
★ 屋面防水片材-形状保持,抗穿刺性
 
可用Rhenogram WP预分散木浆的等级及其基本特点包括:
 
★ Rhenogran WPD-70SBR-NR、SBR、BR、IR和CR的粘结等级
 
★ Rhenogran WPH-65EPDM-  EPDM和IIR(丁基)粘结等级
 
★ Rhenogran WPDX-73SBR-NR、SBR、BR、IR和CR的无粘结等级;需要粘结剂
 
★ Rhenogran WPW-77/PVC-PVC白色等级,需要粘结剂;也用于NBR
 
预分散芳纶浆粕纤维(Rhenogran P91和P95)
 
对芳纶纤维(聚对苯二甲酰对苯二胺)可以显著提高橡胶复合物的物理性质(图9)。芳纶是两个单体的聚合产物,包括1,4-苯二胺和对苯二酰氯。由此产生的聚合物具有液态结晶行为,机械拉伸定向聚合物链到纤维的方向。由于其抗拉强度-重量比高,当纺成丝绳或编织片时,它可以用于许多高应变的应用,强度比钢丝约强5倍。作为一种短纤维,芳纶保留这种高强度传递给其分散到的橡胶化合物中。

图9、高热量应用芳纶浆粕纤维 - 芳香族聚酰胺纤维的临界性能
 
相对于其它短纤维类型,芳纶纤维具有更高的韧性和不渗透性。此外,由于其韧性高,当它们被切碎,这意味着芳纶纤维的“有原纤维组织的”两端扩散成细纤维,将使其表面积急剧增加。机械手段可以用来进一步增加这种纤维细化。这种现象,连同其极高的长径比,可提供已添加这些纤维的橡胶化合物非常高强度的性能。反过来,这些相同的特性又会抑制原料纤维的充分分散。为了克服这一问题,在弹性体粘合剂中预分散芳纶纤维是必不可少的。图10显示了通过朗盛公司的专有方法预分散的芳纶纤维与不充分分散的原丝芳纶纤维的对比结果。
 
图10、粗纤维混合与莱茵化学预分散掺入技术的比较
 
芳纶作为极性材料,将与极性弹性体进行最佳的互动。然而,弹性粘结剂中的预分散芳纶纤维可以很好地分散这些纤维在极性或非极性弹性体中,如表2~表5所示。表2显示了一种基于氯丁橡胶的橡胶复合配方,一种极性弹性体,具有无预分散芳纶纤维。如表3所示,随着芳纶纤维的加入,物理性能,包括抗撕裂性得到了改善。
 
在将预分散芳纶纤维添加到基于EPDM的非极性化合物(表4和5)时,有着同样的观测结果。图11说明了在橡胶化合物中添加低份量(5百分量)芳纶纤维时对模数的重要影响。
 
图11、芳纶纤维加入橡胶后对模量的直接影响
 
表6列出了所用到的Rhenogran预分散芳纶纤维类型。
 
Rhenogran P91和P95预分散芳纶纤维增强的化合物具有耐热性、阻燃性、低导热性和良好的耐磨性能等优点。以下列出了从这类加固方式中获益的橡胶制品的例子:
 
★ V型带,同步齿轮皮带,传动带 - 减少使用中的皮带增长;良好的压缩形变,提供了齿刚度和抗疲劳性能
 
★ 越野车轮胎胎面 - 耐磨损和耐切痕成长
 
★ 散热器软管 - 湿强度、尺寸稳定性;减少水膨胀
 
★ 密封件,垫圈 - 用织物替换,耐高温,低压缩形变
 
★ 橡胶型材 - 湿强度,尺寸稳定性
 
★ 鞋类 - 耐磨性
 
结论
 
相对于其它更多的球形橡胶补强剂,当以较低份量添加到橡胶化合物时,由于短纤维独特的、长形的特点,仍可以提供显着增加的强度性能和尺寸稳定性。由于这种一定长径比的形状,预分散短纤维可有效地混合进橡胶化合物。Rhenogran WP预分散木浆纤维以及Rhenogran P91和P95预分散芳纶纤维提供橡胶混合生产商更经济的选择,而又获得成品橡胶制品性能要求所需的物理性能。芳纶纤维凭借其极高的韧性和耐热性,将提供高强度的性能和耐用性的橡胶产品,这些产品的使用将可经受高热、高磨损、高应变等严峻的环境。对于哪些经受较低温度、不太严苛工作环境的橡胶产品,木浆纤维是一种经济的方式,并足可为橡胶制品提供良好的性能。任何含有短纤维的橡胶化合物都必须令其最终产品成功表现出完全达到其所需的物理性能。那么,产品本身必须由测试协议评估,以确保可满足应用需要。短纤维可以提高已含帘线增强的橡胶制品的性能,并有望可在某些应用中取代这种增强。(文章来源于网络)