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的橡膠復(fù)合材料。是一種可用增強橫向剛性但不影響縱向柔性的彈性體材料，可用于橡膠傳動帶等橡膠制品。

背景技術(shù)：

帶傳動是機械傳動重要的傳動形式之一，隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高以及對機械設(shè)備精密化、輕量化，功能化和個性化的要求，不斷向高精度、高速度、大功率、高效率、高可靠性、長壽命、低噪聲、低振動、低成本、環(huán)保和緊湊化發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣，傳動形式愈來愈多。近年來，對節(jié)能、環(huán)保、舒適、安全等方面的要求越來越高，傳動帶使用一般補強填充劑增強橡膠遠遠滿足不了帶的使用要求，尤其是帶實現(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，造成帶硫化時強力層線繩位移，使成品帶強力層排列不整齊，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疑是解決問題的最好辦法。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力層上，以提高帶的動態(tài)力學(xué)性能，從而彌補線繩結(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。同時也增加了帶與槽輪的抓著力和降低傳動中的嗓音。在帶伸長層和壓縮層中同時實施短纖維復(fù)合，具有減小噪音、跳躍、振動和抖動的效應(yīng)。

芳綸纖維是一種高強度、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)，因此對位芳綸纖維具有強度高、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。李曉琳發(fā)明公開的一種半芳香族聚酰胺短纖維增強復(fù)合材料及其制備方法，將60-90％的干燥樹脂及10-40％的半芳香族聚酰胺短纖維，在轉(zhuǎn)速為500-2000rpm的高速混合機中預(yù)混2-10min，將預(yù)混物經(jīng)過螺桿擠出機熔融、擠出、水浴冷卻、造粒，制得半芳香族聚酰胺短纖維增強復(fù)合材料。本發(fā)明公開的半芳香族聚酰胺短纖維增強復(fù)合材料耐熱性高、強度和模量顯著提高，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、對傳動輥磨損小的優(yōu)勢。缺點是芳綸纖維單獨用于橡膠產(chǎn)品中成本較高、難取向、難分散，團聚的芳綸纖維容易成為應(yīng)力集中點，大大降低產(chǎn)品使用壽命。

玄武巖纖維是一種高性能的無機硅酸鹽纖維，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特的優(yōu)點，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。周少鋒發(fā)明公開的一種耐磨長玄武巖纖維增強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％的固體潤滑劑、10-40wt％的長玄武巖纖維、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。制備的耐磨長玄武巖纖維增強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，綜合性能優(yōu)，使用壽命長，制備方法簡單高效，易于工業(yè)化生產(chǎn)，具有推廣價值。目前將芳綸短纖維與玄武巖纖維并用后增強復(fù)合材料的研究未見報道。玄武巖纖維比芳綸纖維價格便宜十幾倍，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強橡膠復(fù)合材料是前景發(fā)展較好的方向。

技術(shù)實現(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的橡膠復(fù)合材料。本發(fā)明的特點根據(jù)芳綸短纖維難分散難取向，玄武巖短纖維相對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)合強度。通過芳綸短纖維與玄武巖短纖維并用定向增強制備的橡膠復(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、動態(tài)疲勞性能等。該復(fù)合材料工藝簡單、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、補強劑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。

進一步地，優(yōu)選的是：所述的補強劑為n330或n550其中的一種以及具有補強作用的硅酸鹽類的一種。

進一步地，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。

進一步地，優(yōu)選的是：所述的芳綸短纖維和玄武巖短纖維長度為1mm～5mm，兩者共混比范圍為0.05～20。

進一步地，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)的橡膠用開煉機或密煉機。

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、部分補強劑、芳綸短纖維及硅烷偶聯(lián)劑在密煉機中混煉，混煉溫度不高于95℃，轉(zhuǎn)速20-50rpm，混煉時間不高于5min；

(2)將芳綸母膠及防護體系、補強劑置于密煉機中混煉，控制溫度不高于100℃，轉(zhuǎn)速20-50rpm，混煉時間不高于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3min，排料；

(3)將制備好的混煉膠在開煉機薄通10次或者在壓延機上進行取向；

(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橡膠復(fù)合材料的制備，首先通過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)；拉伸強度(室溫)10～15mpa；拉斷伸長率200～300％；撕裂強度50kn/m；屈撓次數(shù)為2000-5000次；動剛度為5000-7000n/mm。本發(fā)明制備的復(fù)合材料，工藝簡單，加工性能優(yōu)良，性能滿足傳動帶使用要求。

附圖說明

圖1芳綸短纖維/玄武巖短纖維(20/0)定向增強橡膠復(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)定向增強橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(實施例5)

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

具體實施方式

下面的實施例是對本發(fā)明的進一步說明，而不是限制本發(fā)明的范圍。

實施例1-5的配方列于表1。

表1實驗配方

對比例1制備方法為：

1)芳綸母膠：進料溫度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。

實施例2-4的制備方法為：

1)芳綸母膠：進料溫度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。

對比例5制備方法為：

1)一段混煉膠：進料溫度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。

對比例6制備方法為：

1)玄武巖纖維母膠：進料溫度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。

對比例7制備方法為：

1)一段混煉膠：進料溫度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)定方法測試，測試結(jié)果見表2。

表2是纖維定向增強橡膠復(fù)合材料的基本物理性能，對比例1為純芳綸短纖維定向增強橡膠復(fù)合材料，實施例2、3、4芳綸短纖維與玄武巖短纖維并用定向增強橡膠復(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橡膠復(fù)合材料。對比例5是直接混煉，且在一段混煉的最后加入，而對比例6是制備玄武巖纖維母膠，然后再混煉制備復(fù)合材料。對比例7是未加短纖維的。從表中可以看出未加短纖維的對比例7與加入短纖維的橫向剛度明顯低很多。實施例2-4的拉斷伸長率和屈撓性能明顯好于對比例1，動剛度明顯高于對比例5、6、7。對比例5雖然比對比例6性能好，但是動剛度明顯低于實施例2-4。所以實施例2-4的綜合性能相對來說較好。圖1是純的芳綸短纖維定向增強橡膠復(fù)合材料，圖中可以看出芳綸纖維有團聚，分散較差，取向度也差，這跟表2中屈撓性能和拉斷伸長率差相一致；圖2是相同用量的芳綸短纖維與玄武巖短纖維定向增強橡膠復(fù)合材料，可以看出纖維成團現(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橡膠復(fù)合材料(對比例5制備方法)，而圖4是純的玄武巖纖維定向增強橡膠復(fù)合材料(對比例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徑比明顯減小，說明玄武巖短纖維在加工過程中出現(xiàn)斷裂，這與表2中對比例6動剛度和硬度都比對比例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)品對動剛度的需要來改變兩者共混比。

表2物理機械性能