過去數(shù)十年來，用表面處理的紡織絲線和鋼絲線來加固橡膠制品。這些材料在橡膠制品的制造中得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兲峁┝吮３中螤詈湍途眯缘年P(guān)鍵性能特性。幾個(gè)應(yīng)用例子包括：輪胎（帶束層、胎冠層、胎體層、胎圈層）；工業(yè)產(chǎn)品（針織層、編結(jié)層或纏繞編織層軟管）；輸送帶（鋼絲繩芯橡膠輸送帶、織物芯橡膠輸送帶）。當(dāng)然，使用絲線為最終產(chǎn)品增加了很大的成本，因?yàn)?，與沒有這種類型增強(qiáng)的橡膠產(chǎn)品的生產(chǎn)相比，它們的使用需要更復(fù)雜的生產(chǎn)過程。例如，對(duì)于輪胎，可能含有增強(qiáng)附著力的化學(xué)物質(zhì)的橡膠化合物必須采用工業(yè)輪壓機(jī)在經(jīng)過化學(xué)處理的紡織織物或黃銅鍍銅鋼絲線上處理，形成必要的帶狀和層狀。每根絲線增強(qiáng)組件必須單獨(dú)生產(chǎn)，然后使用復(fù)雜的機(jī)器“結(jié)合”在一起生產(chǎn)用于隨后硫化的未硫化胎。
已經(jīng)表明，對(duì)于某些應(yīng)用，更便宜的材料可以用來加強(qiáng)橡膠和提供高水平的強(qiáng)度和耐久性。一個(gè)很好的例子是使用短纖維增加復(fù)合物理性能，以提供濕態(tài)形狀保持性，降低擠出膨脹，并在整個(gè)橡膠產(chǎn)品的使用壽命期間給予所需的強(qiáng)度。短纖維提供的其它性能改進(jìn)是降低了切痕成長(zhǎng)和更佳的碎片塊抗性。在許多應(yīng)用中短纖維并未取代簾線增強(qiáng)，但它們的使用已經(jīng)顯示，與簾線結(jié)合，或在簾線缺失時(shí)可提高產(chǎn)品的性能。
圖1、短纖維長(zhǎng)徑比
相對(duì)于其它增強(qiáng)材料，短纖維的獨(dú)特幾何形狀有助于在加入橡膠化合物時(shí)提供正面的物理性能。這個(gè)幾何形狀用長(zhǎng)徑比來描述，它被定義為纖維長(zhǎng)度/纖維直徑（圖1)。即使在不能采用低份量補(bǔ)強(qiáng)的情況下，長(zhǎng)徑比可使短纖維與常規(guī)微粒形成緊密連接結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)。因此，短纖維提供了優(yōu)異的強(qiáng)度特性，減少了高應(yīng)變力造成的缺陷。表1列出了一些短纖維類型的典型長(zhǎng)徑比，其中包括兩個(gè)是本文的重點(diǎn): Rhenogran WP(木漿纖維)和Rhenogran P91和P95(芳綸漿粕纖維)。這兩種纖維類型都能提高橡膠復(fù)合物的彈性模量和抗拉強(qiáng)度。芳綸纖維具有極高的長(zhǎng)徑比和韌性，可提供最大程度的增強(qiáng)。
表1、各種短纖維類型的比較
圖2和圖3顯示了短纖維與其它增強(qiáng)材料的不同之處。當(dāng)高應(yīng)力應(yīng)用于具有良好整體分散性的橡膠零件時(shí)，該零件將保持其完整性。然而，當(dāng)相同的力被應(yīng)用到有分散不良或凝聚顆粒的橡膠部件時(shí)，橡膠和粒子之間的界面會(huì)發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致失效。含有良好分散短纖維的同一橡膠制品在類似的應(yīng)變下能抵抗斷裂，很有可能在不失效的情況下抵抗更高的應(yīng)變。
圖2、未分散的填料顆?？赡軐?dǎo)致過早失效
圖3、短纖維可防止過早失效
圖4、各向異性* — 纖維定向作用
圖5、短纖維橡膠復(fù)合材料的各向異性
短纖維性能的第二個(gè)重要方面是它們?cè)谙鹉z化合物中的排列。短纖維是各向異性的，這意味著它們的性能在橡膠基體中相對(duì)于它們的取向會(huì)有所不同。纖維在通過典型的加工系統(tǒng)移動(dòng)時(shí)，傾向于在復(fù)合流方向縱向?qū)R(圖4)。一致性的證據(jù)見圖5。在這里，當(dāng)纖維排列從縱向(流動(dòng)方向)向橫向(垂直于流動(dòng)方向)轉(zhuǎn)移時(shí)，模量會(huì)顯著地變化。同樣，圖6顯示了纖維排列的縱向和橫向方向之間的表面剛度和阻抗力的變化。其實(shí)，較好排列的纖維在一定程度上會(huì)作為持續(xù)的補(bǔ)強(qiáng)材料。
表2、側(cè)重極性的聚合物化合物配方
表3、側(cè)重極性的聚合物物理特性
表4、側(cè)重非極性高分子的化合物配方
本文綜述了兩種廣泛應(yīng)用的短纖維的性能，包括木漿纖維和芳綸漿粕纖維，以及它們對(duì)橡膠復(fù)合性能的積極影響。這些纖維在彈性粘合劑中發(fā)揮最大化性能的極端重要傾向?qū)⒈徽f明。
表5、側(cè)重非極性的聚合物物理特性
表6、聚合物結(jié)合芳綸纖維Rhenogran P95和P91的種類
預(yù)分散木漿纖維(Rhenogran WP)
木漿纖維是一種豐富、可再生的木質(zhì)纖維素纖維材料。來自這個(gè)可再生資源的短纖維可以為基于許多彈性體（包括EPDM、SBR、NR、CR和PVC）的各種橡膠制品提供良好的形狀保留和提高其使用壽命。這些纖維很容易從森林或造紙工業(yè)獲得，且還可以用其它（生物)復(fù)合材料（如鋸木廠殘?jiān)?生產(chǎn)。通常，硬木纖維由以下步驟產(chǎn)生：
★ 采伐樹木，然后制成木屑
★ 將木屑進(jìn)行化學(xué)或機(jī)械分解，并精制成纖維漿料
★ 干燥纖維漿料到最后狀態(tài)
★ 將纖維漿料壓成薄片
圖6、各向異性，纖維定向作用
圖7、纖維份量對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響
為了生產(chǎn)Rhenogran WP，木漿被粉碎，然后結(jié)合各種彈性體；對(duì)于某些產(chǎn)品，添加含間苯二酚-甲醛樹脂。為了最大限度地提高纖維對(duì)橡膠的附著力，建議在化合物中加入一個(gè)亞甲基供體。最終產(chǎn)品是一種提高了復(fù)合性能，降低了復(fù)合成本的易于分散的母粒。Rhenogran WP再分散作用令其在非極性和極性彈性體中均可分散良好，并在非極性彈性體，如三元乙丙橡膠中實(shí)現(xiàn)了最好的分散。木漿纖維添加到橡膠化合物的好處如圖7和8所示。圖7顯示了增加木漿纖維量其抗拉強(qiáng)度顯著增加，伸長(zhǎng)率明顯降低。采用ASTM die C方法測(cè)量，即使在低負(fù)荷下木漿纖維也改善了抗扯強(qiáng)度（圖8)。
圖8、低含量無粘結(jié) Rhenogran WPDX-73/SBR對(duì)NR OTR輪胎胎面撕裂強(qiáng)度的影響
應(yīng)用
一般而言，木漿纖維在低溫下（小于125℃)的應(yīng)用將表現(xiàn)良好：
★ 輪胎 - 減少簾線刺穿內(nèi)襯層的風(fēng)險(xiǎn)
★ 輸送帶 - 耐磨、耐撕裂性
★ 軟管 - 低壓力應(yīng)用中的形狀保持和良好性能
★ 模壓制品-改善模量、吸振和抗撕裂性
★ 屋面防水片材-形狀保持，抗穿刺性
可用Rhenogram WP預(yù)分散木漿的等級(jí)及其基本特點(diǎn)包括：
★ Rhenogran WPD-70SBR-NR、SBR、BR、IR和CR的粘結(jié)等級(jí)
★ Rhenogran WPH-65EPDM- EPDM和IIR（丁基)粘結(jié)等級(jí)
★ Rhenogran WPDX-73SBR-NR、SBR、BR、IR和CR的無粘結(jié)等級(jí)；需要粘結(jié)劑
★ Rhenogran WPW-77/PVC-PVC白色等級(jí)，需要粘結(jié)劑；也用于NBR
預(yù)分散芳綸漿粕纖維（Rhenogran P91和P95)
對(duì)芳綸纖維（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)可以顯著提高橡膠復(fù)合物的物理性質(zhì)（圖9)。芳綸是兩個(gè)單體的聚合產(chǎn)物，包括1，4-苯二胺和對(duì)苯二酰氯。由此產(chǎn)生的聚合物具有液態(tài)結(jié)晶行為，機(jī)械拉伸定向聚合物鏈到纖維的方向。由于其抗拉強(qiáng)度-重量比高，當(dāng)紡成絲繩或編織片時(shí)，它可以用于許多高應(yīng)變的應(yīng)用，強(qiáng)度比鋼絲約強(qiáng)5倍。作為一種短纖維，芳綸保留這種高強(qiáng)度傳遞給其分散到的橡膠化合物中。
圖9、高熱量應(yīng)用芳綸漿粕纖維 - 芳香族聚酰胺纖維的臨界性能
相對(duì)于其它短纖維類型，芳綸纖維具有更高的韌性和不滲透性。此外，由于其韌性高，當(dāng)它們被切碎，這意味著芳綸纖維的“有原纖維組織的”兩端擴(kuò)散成細(xì)纖維，將使其表面積急劇增加。機(jī)械手段可以用來進(jìn)一步增加這種纖維細(xì)化。這種現(xiàn)象，連同其極高的長(zhǎng)徑比，可提供已添加這些纖維的橡膠化合物非常高強(qiáng)度的性能。反過來，這些相同的特性又會(huì)抑制原料纖維的充分分散。為了克服這一問題，在彈性體粘合劑中預(yù)分散芳綸纖維是必不可少的。圖10顯示了通過朗盛公司的專有方法預(yù)分散的芳綸纖維與不充分分散的原絲芳綸纖維的對(duì)比結(jié)果。
圖10、粗纖維混合與萊茵化學(xué)預(yù)分散摻入技術(shù)的比較
芳綸作為極性材料，將與極性彈性體進(jìn)行最佳的互動(dòng)。然而，彈性粘結(jié)劑中的預(yù)分散芳綸纖維可以很好地分散這些纖維在極性或非極性彈性體中，如表2~表5所示。表2顯示了一種基于氯丁橡膠的橡膠復(fù)合配方，一種極性彈性體，具有無預(yù)分散芳綸纖維。如表3所示，隨著芳綸纖維的加入，物理性能，包括抗撕裂性得到了改善。
在將預(yù)分散芳綸纖維添加到基于EPDM的非極性化合物（表4和5)時(shí)，有著同樣的觀測(cè)結(jié)果。圖11說明了在橡膠化合物中添加低份量（5百分量)芳綸纖維時(shí)對(duì)模數(shù)的重要影響。
圖11、芳綸纖維加入橡膠后對(duì)模量的直接影響
表6列出了所用到的Rhenogran預(yù)分散芳綸纖維類型。
Rhenogran P91和P95預(yù)分散芳綸纖維增強(qiáng)的化合物具有耐熱性、阻燃性、低導(dǎo)熱性和良好的耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)。以下列出了從這類加固方式中獲益的橡膠制品的例子：
★ V型帶，同步齒輪皮帶，傳動(dòng)帶 - 減少使用中的皮帶增長(zhǎng)；良好的壓縮形變，提供了齒剛度和抗疲勞性能
★ 越野車輪胎胎面 - 耐磨損和耐切痕成長(zhǎng)
★ 散熱器軟管 - 濕強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性；減少水膨脹
★ 密封件，墊圈 - 用織物替換，耐高溫，低壓縮形變
★ 橡膠型材 - 濕強(qiáng)度，尺寸穩(wěn)定性
★ 鞋類 - 耐磨性
結(jié)論
相對(duì)于其它更多的球形橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，當(dāng)以較低份量添加到橡膠化合物時(shí)，由于短纖維獨(dú)特的、長(zhǎng)形的特點(diǎn)，仍可以提供顯著增加的強(qiáng)度性能和尺寸穩(wěn)定性。由于這種一定長(zhǎng)徑比的形狀，預(yù)分散短纖維可有效地混合進(jìn)橡膠化合物。Rhenogran WP預(yù)分散木漿纖維以及Rhenogran P91和P95預(yù)分散芳綸纖維提供橡膠混合生產(chǎn)商更經(jīng)濟(jì)的選擇，而又獲得成品橡膠制品性能要求所需的物理性能。芳綸纖維憑借其極高的韌性和耐熱性，將提供高強(qiáng)度的性能和耐用性的橡膠產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的使用將可經(jīng)受高熱、高磨損、高應(yīng)變等嚴(yán)峻的環(huán)境。對(duì)于哪些經(jīng)受較低溫度、不太嚴(yán)苛工作環(huán)境的橡膠產(chǎn)品，木漿纖維是一種經(jīng)濟(jì)的方式，并足可為橡膠制品提供良好的性能。任何含有短纖維的橡膠化合物都必須令其最終產(chǎn)品成功表現(xiàn)出完全達(dá)到其所需的物理性能。那么，產(chǎn)品本身必須由測(cè)試協(xié)議評(píng)估，以確保可滿足應(yīng)用需要。短纖維可以提高已含簾線增強(qiáng)的橡膠制品的性能，并有望可在某些應(yīng)用中取代這種增強(qiáng)。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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