卜義夫，孔俊嘉

(沈陽(yáng)科技學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167)

硅橡膠（SR）具有高彈性、良好絕緣性、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛地應(yīng)用于航空、電氣、建筑等行業(yè)。但是其本身的物理力學(xué)性能、耐磨性能較差，會(huì)影響到硅橡膠的使用壽命[2]。通常會(huì)向硅橡膠中加入玻璃纖維等高性能纖維來(lái)提高硅橡膠的性能，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命。玻璃纖維本身具有耐熱、絕緣、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在質(zhì)脆、柔韌性低、致癌等缺點(diǎn)[3]。碳纖維（CF）具有強(qiáng)度高、模量高、耐疲勞性能好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文通過(guò)碳纖維補(bǔ)強(qiáng)制備碳纖維硅橡膠（CFSR）復(fù)合材料，與單純硅橡膠相比其綜合力學(xué)性能、耐熱性能得到了較大提升。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

硅橡膠，工業(yè)級(jí)，東莞市華岱有機(jī)硅有限公司；白炭黑，工業(yè)級(jí)，山東弘興白炭黑有限責(zé)任公司；碳纖維，分析純，河南克萊威納米碳材料有限公司；硬脂酸，工業(yè)級(jí)，廣州正利化工有限公司；偶聯(lián)劑KH-550，工業(yè)級(jí)，鄭州輝浩化工有限公司；交聯(lián)劑DCP，工業(yè)級(jí)，濟(jì)南和信化工有限公司；促進(jìn)劑TBBS，工業(yè)級(jí)，鄭州市源澤化工有限公司；防老劑D，工業(yè)級(jí)，淄博安豪化工有限公司；2，5-二甲基-2，5-雙己烷，工業(yè)級(jí)，青島科諾化工有限公司；碘化鉀，分析純，濟(jì)南世紀(jì)通達(dá)化工有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

熱重分析儀，STA-6000，上海群宏儀器設(shè)備有限公司；場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，SEM3000S，國(guó)儀量子技術(shù)有限公司；萬(wàn)用力學(xué)測(cè)試儀，KRT-W，昆山科瑞特試驗(yàn)儀器有限公司；橡膠邵氏硬度計(jì)，LX-D，安徽華標(biāo)檢測(cè)儀器有限公司；阿克隆磨耗機(jī)，HY3410，揚(yáng)州恒鐵檢測(cè)設(shè)備有限公司；橡膠開(kāi)煉機(jī)，HY4107，安徽華標(biāo)檢測(cè)儀器有限公司；自動(dòng)硫化機(jī)，XLB-200T，東莞市湞穎機(jī)械設(shè)備有限公司；傅里葉紅外光譜儀，LIDA-20，天津恒創(chuàng)立達(dá)科技發(fā)展有限公司。

1.3 基礎(chǔ)配方

硅橡膠，100份；白炭黑，30份；碳纖維，12份；硬脂酸，1份；偶聯(lián)劑KH-550，3份；交聯(lián)劑DCP，6份；促進(jìn)劑TBBS，1份；防老劑D，1份；2，5-二甲基-2，5-雙己烷，2份。

1.4 復(fù)合材料的制備

（1）混煉膠制備

硅橡膠在50~60 ℃下混煉20 min左右，使得硅橡膠包輥，殘料少量堆積膠，加入偶聯(lián)劑處理的碳纖維、硬脂酸、炭黑以及硫化劑，靜置24 h使其混合均勻，24 h之后再次上輥復(fù)煉，左右開(kāi)刀5次后下片，調(diào)至最小輥距，薄通6次，出片厚度控制在4 mm，冷卻后加入各種助劑和填料翻煉均勻，將膠料鏟下，得到混煉膠。

（2）硫化

一次硫化：稱取一定量的混煉膠，放入模具中，啟動(dòng)自動(dòng)硫化機(jī)進(jìn)行硫化，壓力和溫度分別設(shè)定為500 MPa、170 ℃，硫化 20 min。

二次硫化：在鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行，溫度設(shè)定為180 ℃，硫化2 h。

1.5 性能測(cè)試

CFSR復(fù)合材料機(jī)理圖如圖1所示。

圖1 CFSR復(fù)合材料機(jī)理圖

（1）熱重（TGA）分析

取一定量的CFSR復(fù)合材料樣品利用熱重分析儀在充滿N2的氣氛中進(jìn)行熱重分析，從30 ℃開(kāi)始分析，升溫速率控制在10 ℃/min，直至溫度到達(dá)900 ℃為止，記錄數(shù)據(jù)并繪制熱重分析曲線。

（2）掃描電鏡（SEM）分析

將CFSR復(fù)合材料樣品在真空烘干箱中干燥至恒定重量，取出后使用電子天平進(jìn)行稱重，之后對(duì)其進(jìn)行液氮脆斷處理，放在樣品臺(tái)上并進(jìn)行固定，進(jìn)行噴金處理，選用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察CFSR復(fù)合材料橫截面的結(jié)構(gòu)。

（3）紅外光譜（FT-IR）分析

取適量的CFSR復(fù)合材料與溴化鉀混合并進(jìn)行研磨，研磨完成后進(jìn)行壓片，選用傅里葉紅外光譜儀對(duì)CFSR復(fù)合材料進(jìn)行表征，掃描的范圍控制在4 000~500 cm-1在此處鍵入公式。

（4）綜合力學(xué)性能測(cè)試

CFSR復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)定按照GB/T 528—92進(jìn)行，拉伸速率200 mm/min；邵氏硬度A型測(cè)定按照GB/T 531—2008進(jìn)行；阿克隆磨耗量測(cè)定按照GB/T 1689—2014進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)拉伸性能的影響

由圖2可以看出，隨著碳纖維用量的增加，CFSR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。碳纖維用量達(dá)到12份時(shí)，CFSR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到了最大值，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了4.75 MPa和617%，此時(shí)CFSR復(fù)合材料的強(qiáng)度高、耐疲勞性能好。碳纖維用量大于12份后，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降，可能是由于隨著碳纖維用量的增加使得碳纖維不能均勻的分布在硅橡膠基體內(nèi)。由此可以看出碳纖維用量為12份時(shí)CFSR復(fù)合材料的拉伸性能最佳。

圖2 碳纖維用量對(duì)CFSR復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.2 對(duì)硬度的影響

由圖3可以看出，隨著碳纖維用量的增加CFSR復(fù)合材料的邵爾硬度總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在碳纖維用量達(dá)到12份時(shí)趨于平穩(wěn)，之后繼續(xù)增加碳纖維的用量CFSR復(fù)合材料的邵爾硬度變化并不大。考慮到能耗等經(jīng)濟(jì)性因素，得出保證硬度的前提下碳纖維的最佳用量為12份。

圖3 碳纖維用量對(duì)CF/SR復(fù)合材料邵氏硬度A型的影響

2.3 對(duì)耐磨損性能的影響

由圖4可以看出，隨著碳纖維用量的增加，CFSR復(fù)合材料的阿克隆磨耗量呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)，碳纖維用量為12份時(shí)，CFSR復(fù)合材料的阿克隆磨耗量達(dá)到了最小值，此時(shí)CFSR復(fù)合材料的耐磨性能最佳。碳纖維用量大于12份后，CFSR復(fù)合材料的阿克隆磨耗量上升，這主要是因?yàn)樘祭w維較多在硅橡膠基體中分布不均勻造成的。由此可以得出碳纖維用量為12份時(shí)，CFSR復(fù)合材料的耐磨性能最佳。

圖4 碳纖維用量對(duì)CFSR阿克隆磨耗量的影響

綜合拉伸性能測(cè)試、邵氏硬度測(cè)試及耐磨性能測(cè)試結(jié)果可得碳纖維的最佳用量為12份，此時(shí)CFSR復(fù)合材料的強(qiáng)度高、耐疲勞性能好、硬度適中、耐磨性能好，因此選用碳纖維用量為12份的條件進(jìn)行熱重分析、SEM分析以及FT-IR分析。

2.4 復(fù)合材料的熱重分析

由圖5可以看出，硅橡膠失重過(guò)程可分為3個(gè)階段：0~200 ℃，200~450.5 ℃，450.5~800 ℃。第一階段是一個(gè)緩慢失重階段，這個(gè)階段主要發(fā)生氫鍵的斷裂，CFSR復(fù)合材料中剩余的結(jié)合水被脫去；第二階段是一個(gè)快速失重階段，在407.6 ℃時(shí)純硅橡膠出現(xiàn)了較大的失重平臺(tái)，添加有12份碳纖維的硅橡膠的失重平臺(tái)出現(xiàn)在450.5 ℃；第三階段同第二階段一樣也是快速失重階段，在這一階段中純硅橡膠在580 ℃時(shí)已經(jīng)基本耗盡，添加有12份碳纖維的硅橡膠的曲線有所緩和。經(jīng)過(guò)以上三個(gè)階段后，純硅橡膠基本耗盡，添加12份碳纖維的硅橡膠的殘留質(zhì)量為原質(zhì)量的26.2%。加入12份碳纖維的硅橡膠與純硅橡膠相比其熱分解溫度由原有的407.6 ℃提高到了450.5 ℃，提高了42.9 ℃，這是由于碳纖維的添加使得硅橡膠的耐熱性增強(qiáng)，同時(shí)提高了硅橡膠的熱穩(wěn)定性。

圖5 純SR和CFSR復(fù)合材料的TG曲線

2.5 復(fù)合材料的形貌特征

由圖6可以看出，碳纖維在硅橡膠基體內(nèi)分散均勻，纖維之間以及纖維和基體之間的通路更加完善，提供了相互連接的通道，這些通道使得硅橡膠的耐熱性能得到了提升。碳纖維與硅橡膠基體形成了一個(gè)較好的整體，界面結(jié)合性能較好，僅有較少的碳纖維拔出孔洞。

圖6 CFSR復(fù)合材料的形貌特征SEM圖片

2.6 復(fù)合材料的紅外光譜分析

由圖7可以看出，3 423.24 cm-1處是羥基—OH的伸縮振動(dòng)峰，1 648.91 cm-1處是碳碳雙鍵C=C的特征吸收峰，1 260.34 cm-1處為C—O的伸縮振動(dòng)峰，710.13 cm-1處是羥基—OH的彎曲振動(dòng)峰，1 537.25 cm-1處是—NH的彎曲振動(dòng)峰，—OH、—NH彎曲振動(dòng)峰以及C—O伸縮振動(dòng)峰的存在可以認(rèn)為是偶聯(lián)劑KH-550與CFSR反應(yīng)的結(jié)果，這說(shuō)明偶聯(lián)劑KH-550對(duì)碳纖維與硅橡膠的融合起了促進(jìn)作用。

圖7 CFSR復(fù)合材料的FT-IR譜圖

3 結(jié)論

（1）加入12份碳纖維后CFSR復(fù)合材料的物理力學(xué)性能最佳，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了375%和95%，邵爾A型硬度由36度提高到76度，提高了111%。阿克隆磨耗量由0.12 cm3下降到0.06 cm3，硅橡膠的耐磨性能有較大提升。

（2）加入12份碳纖維后，硅橡膠的熱分解溫度由原有的407.6 ℃提升到450.5 ℃，熱分解溫度提高了10.5%，硅橡膠的耐熱性能得到了較大提升。

（3）通過(guò)場(chǎng)掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，硅橡膠基體中加入12份碳纖維后，碳纖維均勻的分布在硅橡膠基體中，纖維與纖維之間以及纖維與基體之間形成了更多的通道，提升了硅橡膠的耐熱性能。

（4）通過(guò)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑對(duì)CF和SR的融合起了促進(jìn)作用。