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1、新型预处理芳纶短切纤维系列产品的开发和应用朱新军 1,2 哈德尔别克 2 许涛 2 王文波 1 钦焕宇 1 吴卫东 2（1. 黑龙江弘宇短纤维新材料股份有限公司富锦 457100；2.北京化工大学先进弹性体材料研究中心北京 100029）摘要：本文对比研究了各种表面粘合预处理浸渍液配方和工艺对不同厂家生产的对位芳纶长丝和间位芳纶长丝纤维进行表面预处理得到的预处理芳纶短切纤维对三元乙丙橡胶（）的增强性能，通过研究为高性能芳纶短切纤维系列产品的开发及其在耐热橡胶 传动带中的具体应用提供参考，同时对比研究了国外同类产品的性能。研究结果表明，采用 特殊的活化浸渍处理液体系和热处理工艺可以有效改善预处理
2、芳纶短切纤维与三元 乙丙橡胶之间的界面粘合水平。关键词： 芳纶纤维预处理短纤维界面粘合传动带前言 芳纶（芳香族聚酰胺纤维）是20世纪70年代发展起来的一种新型高性能产业纤维，芳纶纤维主要分为两种：间位聚酰胺纤维（meta-aramid fiber,国内名称芳纶1313）和对位聚酰胺纤 维（para-aramid fiber,国内名称芳纶1414）。间位芳纶具有良好的热稳定性、阻燃性、电绝缘 性、化学稳定性以及耐辐射性等，但模量和强度明显不如对位芳纶，对位芳纶具有较好的耐 热性、高弹性模量、高强力及很好的尺寸稳定性等。芳纶纤维是橡胶工业理想的骨架材料之一，由于其具有很高的取向度和结晶度，并且没
3、有无定形区，而分子链段中有大量苯环，位阻较大，因此酰胺基团较难与其他原子或基团发 生化学反应，所以对于芳纶纤维表面进行粘合浸渍预处理比较困难，预处理的芳纶纤维与橡 胶基质的界面粘合相对较差一些。基于此国内外专家学者对芳纶纤维的表面粘合改性进行了 大量研究，目前表面涂层处理方法在工业中已经得到广泛的应用。最近弘宇新材-北化短纤 维预处理技术研究中心进行了高性能芳纶纤维表面粘合预处理技术的开发，在多年尼龙、聚 酯、棉纤维的表面预处理技术研究和产品开发基础上1-4，采用先活化再RFL增粘处理的二浴 法浸渍预处理技术，不仅在第一浴的纤维表面活化预处理技术上进行改进，更在第二浴的 RFL增粘预处理配方和
4、工艺方面进行了创新改进，可满足不同橡胶基体尤其是表面难以粘合的非极性三元乙丙橡胶（EPDM）对粘合性能的特殊要求5-6。基于上述技术开发的预处理芳纶短切纤维系列产品可广泛应用于氯丁橡胶CR、EPDM、氢化丁腈HNBR等橡胶基的汽车传动 带压缩层胶料的配合中，能够明显提高压缩层胶料的抵抗侧向压缩变形能力，同时由于与基 体橡胶之间具有良好的界面粘合水平，提高了传动带的高温疲劳使用寿命。另外，目前在国 内外市场上还没有经过预处理的间位芳纶短纤维产品，尽管间位芳纶纤维的模量和强度比对 位芳纶要差很多，但由于间位芳纶纤维表面更易于增粘预处理以及耐热性与对位芳纶相当， 通过上述技术开发的预处理间位芳纶短纤
5、维产品相比于目前市场上的各种预处理对位芳纶短 纤维产品，与各种基体橡胶之间具有更好的界面粘合水平。本文对比研究了各种表面粘合预处理浸渍液配方和工艺对不同厂家生产的对位芳纶、间 位芳纶纤维进行表面预处理得到的预处理芳纶短切纤维对三元乙丙橡胶（）的增强 性能，期望为高性能芳纶短纤维产品的开发及其在耐热橡胶传动带中的具体应用提供参考。 实验部分1原材料及配方：实验采用黑龙江弘宇短纤维新材料股份有限公司生产的三种不同表 面粘合水平的预处理对位芳纶和间位芳纶短切纤维共六种产品：-未处理；-常规粘合处 理；-高活性粘合表面处理,间位芳纶，对位芳纶，短纤维长度均为1mm；作为对比还采用了国外厂家生产的纤维长
6、度为1毫米的芳纶短切纤维DCAF-1以及弘宇 公司生产的1毫米长的高活性尼龙66短切纤维HFN66-1。EPDM橡胶配方为：EPDM4045：100；SA：1.0；ZnO：5.0；S:1.5；促进剂M：1.5；促进 剂TT:0.5；促进剂BZ:1.5；白炭黑silica：20；短纤维：变量。2加工工艺及试样制备：采用开炼机混炼，首先将除了短纤维以外的生胶和配合剂在1 毫米辊距下混炼制备出一段EPDM母胶（可一次性混炼出10-20个测试配方需要的混炼胶量）， 然后按照配方用量，1毫米辊距下一段母胶包辊后加入配方用量的芳纶短切纤维进行混炼，基 本分散均匀后，打三个三角包、三个卷，然后出1毫米的胶片
7、对折成2毫米的混炼胶拉伸样 片，除了特别注明取向角度外，需要严格按照拉伸方向与开炼机压延方向一致进行混炼胶片 的剪裁；平板硫化制样，硫化时间按照硫化特性曲线显示的t90时间再加5分钟；拉伸力学性能测试 按照国家标准进行，除了特别注明外，拉伸沿纤维取向方向进行（取向角为0度，MD方向）。3. 性能测试及表征：硫化胶的拉伸应力应变性能、撕裂强度、硬度等静态力学性能 的测试均按照相应的国家标准执行，拉伸性能按 GBT 528-1998 测试；撕裂强度按 GBT529-1999 测试，直角型试样；邵尔 A 型硬度按 GBT 531-1999 测试；采用深圳新三思试验仪器厂生产的 CMT4104 型万能
8、材料试验机进行拉伸力学性能测试，芳纶短纤维表面微观结 构形貌的考察采用日本 Hitachi 公司生产的 HITACHI S-4700 型扫描电镜（SEM）进行。 试验结果与讨论1. 预处理对位芳纶短切纤维增强EPDM硫化胶的性能研究10 109 98 837 7stress MPastress MPa6 625 54 3 413 2 1-CPAF 32-NPAF2 1 3-HPAF 21 2.5phr AF/EPDM 1MD0 01-CHAF2-NPAF3-HPAF10phr AF/EPDM MD0 50 100 150 200 250 300 350strain %0501001502002
9、50300350strain %图1 2.5phr的CPAF,NPAF,HPAF短纤维填充图2 10phr的CPAF,NPAF,HPAF短纤维填充EPDM硫化胶MD向的拉伸应力应变曲线EPDM硫化胶MD向的拉伸应力应变曲线 在我们以前的研究中发现5-7，在短纤维填充的硫化橡胶拉伸过程中，随着拉伸应变逐渐增加，短纤维与基质橡胶之间逐渐发生界面滑移，直至发生界面滑脱，出现拉伸应力应变 曲线的拐点现象，因此拐点处对应的拉伸屈服应力也可以称为界面滑脱应力TSy，屈服应力 处对应的屈服伸长率也可以称为界面滑脱伸长率y；我们定义界面滑脱应力与界面滑脱伸 长率乘积的1/2为相对界面滑脱能RISE（Relat
10、ive Interface Slip Energy）,实际上RISE数值就是拉 伸应力应变曲线与横坐标轴所围成的近似三角形图形的面积，相对反映了拉伸过程中短纤维 与基质橡胶发生界面滑脱所需要的能量大小，以前的实验研究表明5,8，相对界面滑脱能RISE 数值与短纤维用量、长度、纤维取向程度、纤维取向角度、胶料配方中增强填料用量等不影 响纤维表面粘合特性的因素关系不大，而与预处理纤维品种、表面粘合处理水平、胶料配方 中HRH粘合助剂用量、过硫化等影响纤维表面粘合特性的因素关系很大，这说明采用RISE 数值可以表征短纤维表面粘合特性，而对于长丝纤维骨架材料（纱、线绳、帘线、帆布等结 构形式）而言，既
11、可以切断为1-5毫米长的短纤维来增强橡胶，通过测试得到的硫化胶RISE 数值来表征长丝纤维骨架材料的表面粘合状况（常规的长丝纤维表面粘合测试方法有H抽出、T抽出、剥离粘结等），也可以借鉴短纤维增强橡胶体系采用的过硫化、热老化等方法，结合常规的H抽出、T抽出、剥离粘结等测试方法，进一步表征纤维骨架材料（包括钢丝）与 橡胶基质之间粘合耐久性。首先我们来比较 2.5phr 和 10phr 纤维用量的未处理对位芳纶短切纤维（CPAF）、一般粘 合处理的对位芳纶短切纤维（NPAF）、高活性粘合处理的对位芳纶短切纤维（HPAF 增强的 EPDM 硫化胶的拉伸力学性能，分别如图 1 和图 2 所示，可以看出
12、，短纤维的加入明显提高 了硫化胶的弹性模量和小形变下的定伸应力（通常采用 10%定伸应力 TS10 来表征硫化胶的模 量和抵抗变形的能力，采用 25%定伸应力 TS25 以及界面滑脱应力 TSy 来表征短纤维对基质橡 胶的增强能力），对于表面粘合水平不高的短纤维（比如 CPAF 短纤维）所填充的 EPDM 硫化 胶拉伸过程中很快发生类似于塑料拉伸屈服现象，即应力应变曲线出现拐点，此后经过一段 屈服拉伸过程，硫化胶发生断裂或者拉伸应力继续提高后，再发生断裂，此时的拉伸断裂强 度有可能还高于屈服应力 TSy，所以我们评价短纤维对橡胶增强性能一般考察拉伸屈服前的 这一段应力-应变性能。图 3 显示了
13、不同用量的 HPAF 短纤维增强 EPDM 硫化胶拉伸应力应变曲线，从图 4 显示 的拉伸应力应变特性数据发现，随着纤维用量增加，硫化胶的 TS10、TS25 和 TSy 等增强性能 指标逐步提高，拉伸应力应变曲线的屈服现象越来越明显，屈服伸长率相应逐渐降低，研究 结果表明，相对界面滑脱能 RISE 的数值确基本保持不变，这也说明了 RISE 数值仅仅跟纤维 表面粘合状况和采用的橡胶配方有关，可能跟纤维用量、纤维取向程度和取向角度、纤维长 度等不影响纤维表面特性的因素关系不大。图 3 不同用量的高粘合 HPAF 增强 EPDM 硫化胶 MD 向的拉伸应力-应变曲线2. 预处理间位芳纶短切纤维增
14、强EPDM硫化胶的性能研究图 4不同表面粘合水平的 MAF 短纤维增强 EPDM 硫化胶的应力-应变曲线图（1#-未处理 MAF , 2#-A-MAF，3#-B-MAF，4#-C-MAF） 目前在国内外市场上还没有经过预处理的间位芳纶1313短纤维产品（MAF），弘宇公司自主研发出了浸渍预处理的芳纶1313短纤维产品，芳纶 1313纤维与尼龙和聚酯纤维相比， 物理性能方面有很多的优势，尤其是耐热性能和高温下的模量和强度保持率很高，所以尽管 与对位芳纶1414相比，其强度和模量要差些，但是该预处理间位芳纶短纤维产品仍然具有很 大的应用潜力。从图 4 显示的 4 种不同表面粘合水平预处理的间位芳纶
15、 1313 短纤维增强 EMPDM 硫化胶 MD 方向的拉伸应力应变特性可以看出，未处理 AF1313 增强 EPDM 硫化胶的拉伸滑脱应力只 有 5.1MPa 左右，滑脱伸长率在 20%左右，相对界面滑脱能 RISE 数值仅仅为 0.51；三种不同 粘合处理方法（A 法，B 法，C 法）进行浸渍预处理得到的三种短纤维样品所增强的 EPDM 硫化胶的拉伸力学性能明显提高，其 RISE 数值分别为 1.03、1.96、2.85，可以看出，通过科 学的浸渍粘合预处理工艺，能够生产出表面粘合性能优异的预处理间位芳纶短纤维产品，这 是因为间位芳纶 1313 纤维本身分子结构的特点，相对于对位芳纶 1414 来讲，进行增粘预处 理相对来说容易得多。表 110phr 用 量 的 不 同品种短纤维增强 E P D M 硫化胶的硬度、 撕裂强度和拉伸应力应变特性等性能数据 项目 预处理短纤维种类（纤维长度 1 毫 米） 不加短纤维的 EPDM 母
