新型预处理芳纶短切纤维系列产品的开发和应用

1、新型预处理理芳纶短短切纤维维系列产产品的开开发和应应用朱新军11,2 哈德尔尔别克 2 许涛2 王文文波1 钦焕宇宇1 吴卫东东2（1. 黑黑龙江弘弘宇短纤纤维新材材料股份份有限公公司富锦 45771000；2.北京化化工大学学先进弹弹性体材材料研究究中心北京 10000299）摘要：本本文对比比研究了了各种表表面粘合合预处理理浸渍液液配方和工艺艺对不同同厂家生生产的对对位芳纶长丝和和间位芳芳纶长丝丝纤维进进行表面面预处理理得到的的预处理理芳纶短短切纤维维对三元元乙丙橡橡胶（）的增增强性能能，通过过研究为为高性能能芳纶短短切纤维维系列产产品的开开发及其其在耐热热橡胶 传动带带中的具具体应用用提

2、供参参考，同同时对比比研究了国外外同类产产品的性性能。研研究结果果表明，采采用 特殊的的活化浸浸渍处处理液体体系和热热处理工艺可可以有效效改善预预处理芳芳纶短切切纤维与与三元 乙丙橡橡胶之间间的界面面粘合水水平。关键词： 芳纶纤纤维预处理理短纤维维界面粘粘合传动带带前言 芳纶（芳芳香族聚聚酰胺纤纤维）是是20世纪70年代发发展起来来的一种种新型高高性能产产业纤维维，芳纶纶纤维主要分分为两种种：间位位聚酰胺胺纤（metta-aarammid fibber,国内名名称芳纶纶13113和对位聚聚酰胺纤纤 （parra-aarammid fibber,国内名名称芳纶纶14114。间位芳芳纶具有有良好的

3、的热稳定定性、阻阻燃性、电电绝缘 性、化化学稳定定性以及及耐辐射射性等，但但模量和和强度明显显不如对对位芳纶纶，对位位芳纶具具有较好好的耐 热性、高高弹性模模量、高高强力及及很好的的尺寸稳稳定性等等。芳纶纤维是是橡胶工工业理想想的骨架架材料之之一，由由于其具具有很高的取取向度和和结晶度度，并且且没 有无定定形区，而而分子链链段中有有大量苯苯环，位位阻较大，因因此酰胺胺基团较较难与其其他原子子或基团团发 生化学学反应，所所以对于于芳纶纤纤维表面面进行粘粘合浸渍预预处理比比较困难难，预处处理的芳芳纶纤维维与橡 胶基质质的界面面粘合相相对较差差一些。基基于此国国内外专家家学者对对芳纶纤纤维的表表面粘

4、合合改性进进行了 大量研研究，目目前表面面涂层处处理方法法在工业业中已经经得到广广泛的应用用。最近近弘宇新新材-北化短短纤 维预处处理技术术研究中中心进行行了高性性能芳纶纶纤维表面粘粘合预处处理技术术的开发发，在多多年尼龙龙、聚 酯、棉棉纤维的的表面预预处理技技术研究究和产品品开发基基础上1-4，采用用先活化化再RFL增粘处处理的二二浴 法浸渍渍预处理理技术，不不仅在第第一浴的的纤维表表面活化化预处理理技术上上进行改改进，更更在第二二浴的 RFL增粘预预处理配配方和工工艺方面面进行了了创新改改进，可可满足不不同橡胶胶基体尤尤其是表表面难以以粘合的非极性三三元乙丙丙橡（EPDDM对粘合合性能的的

5、特殊要要求55-6。基于于上述技技术开发发的预处处理芳纶纶短切纤维系系列产品品可广泛泛应用于氯丁丁橡胶CR、EPM、氢化化丁腈NBR等橡胶胶基的汽汽车传动动 带压缩缩层胶料料的配合合中，能能够明显显提高压压缩层胶料的的抵抗侧侧向压缩缩变形能能力，同同时由于于与基 体橡胶胶之间具具有良好好的界面面粘合水水平，提提高了传动带带的高温温疲劳使使用寿命命。另外外，目前前在国 内外市市场上还还没有经经过预处处理的间间位芳纶纶短纤维产品品，尽管管间位芳芳纶纤维维的模量量和强度度比对 位芳纶纶要差很很多，但但由于间间位芳纶纶纤维表表面更易于增增粘预处处理以及及耐热性性与对位位芳纶相相当， 通过上上述技术术开

6、发的的预处理理间位芳芳纶短纤纤维产品相比比于目前前市场上上的各种种预处理理对位芳芳纶短 纤维产产品，与与各种基基体橡胶胶之间具具有更好好的界面面粘合水水平。本文对比研研究了各各种表面面粘合预预处理浸浸渍液配配方和工工艺对不同厂厂家生产产的对位位芳纶、间间 位芳纶纶纤维进进行表面面预处理理得到的的预处理理芳纶短切纤纤维对三三元乙丙丙橡胶（）的增增强 性能，期期望为高高性能芳芳纶短纤纤维产品品的开发发及其在在耐热橡橡胶传动动带中的的具体应应用提供供参考。 实验部分1原材料料及配方方：实验验采用黑黑龙江弘弘宇短纤维维新材料料股份有有限公司生生产的三三种不同同表 面粘合合水平的的预处理理对位芳芳纶和间

7、间位芳纶纶短切纤纤维共六六种产品品：-未处理理；-常规粘粘合处 理；-高活性性粘合表表面处理理,间位位芳纶，对位芳芳纶，短短纤维长长度均为为1mm；作作为对比比还采用用了国外外厂家生生产的纤纤维长度度为1毫米的的芳纶短短切纤维维DCAAF1以及弘弘宇 公司生生产的11毫米长长的高活活性尼龙龙66短切切纤维HHFN666-11。EPDM橡橡胶配方方为：EEPDMM40445：1000；SA：1.0；ZnOO：5.00；S:11.5；促进进剂M：1.55；促进进 剂TT:0.55；促进进剂BZZ:1.5；白白炭黑ssiliica：20；短短纤维：变量。2加工工工艺及试试样制备备：采用用开炼机机混炼

8、，首首先将除除了短纤纤维以外外的生胶胶和配合合剂在11 米下制一炼配要炼， 按方1本分散均匀后，打三个三角包、三个卷，然后出1毫米的胶片对折成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片 制硫间硫性显t间5；力能 国准除别拉纤向进向0。3. 性能能测试及及表征：硫化胶胶的拉伸伸应力应变性性能、撕撕裂强度度、硬度度等静态态力学性性能 的测试试均按照照相应的的国家标标准执行行，拉伸伸性能按按 GBT 5288-19998 测试；撕裂强强度按 GBT529-119999测试，直直角型试试样；邵邵尔A型硬度度按GBT5311-19999 测试；采

9、用深深圳新三三思试验验仪器厂生产产的 CMTT41004 型万能材料试验验机进行拉拉伸力学学性能测测试，芳纶纶短纤维维表面微微观结 构形貌貌的考察察采用日日本Hittachhi公司生生产的 HITTACHHI S-447000型扫描描电镜（SEM）进行。 试验结果与讨论1. 预处处理对位位芳纶短短切纤维维增强EEPDMM硫化胶胶的性能能研究019988377sress Pasresssress Pasress Ma25543 4132 1-CPAAF32-NPPAF21 3-HPAAF212.5phhr A/EDM1D00HFPFPFrr M D0000005000striin %000000

10、00in %图12.5phhr的CPAAF,NNPAFF,HPPAF短短纤维填填充图210pphr的的CPAAF,NNPAFF,HPPAF短短纤维填填充EPDM硫硫化胶MMD向的的拉伸应应力应变变曲线EPDM化胶MD的拉伸伸应力应应变曲线线 在我们们以前的的研究中中发现5-7，在短短纤维填填充的硫硫化橡胶拉伸伸过程中中，随着着拉伸应应变逐渐增加，短短纤维与与基质橡橡胶之间间逐渐发发生界面面滑移，直直至发生生界面滑滑脱，出出现拉伸伸应力应应变 曲线的的拐点现现象，因因此拐点点处对应应的拉伸伸屈服应应力也可可以称为为界面滑滑脱应力力TSy，屈服应力 处对应应的屈服服伸长率率也可以以称为界界面滑脱脱

11、伸长率率y；我们们定义界界面滑脱脱应力与与界面滑滑脱伸 长率乘乘积的11/2为为相对界界面滑脱脱能RIIS（Rellatiive IntterffaceeSliip Eneergyy,实际上上RISSE数值值就是拉 伸应力力应变曲曲线与横横坐标轴轴所围成成的近似似三角形图形形的面积积，相对对反映了了拉伸过过程中短短纤维 与基质质橡胶发发生界面面滑脱所所需要的的能量大大小，以以前的实实验研究究表明5,88，相相对界面面滑脱能能RISE 数值与与短纤维维用量、长长度、纤纤维取向向程度、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

12、、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抽出出、剥离离粘结等等，也可可以借鉴鉴短纤维维增强橡橡胶体系系采用的的过硫化化、热老老化等方方法，结合常规的的H抽出、TT抽出、剥剥离粘结结等测试试方法，进进一步表表征纤维维骨架材材（包括括钢丝与 橡胶基基质之间间粘合耐耐久性。首先我们来来比较 2

13、.55phrr 和 10pphr 纤维用用量的未未处理对对位芳纶纶短切纤纤维（CCPAFF、一般般粘 合处理理的对位位芳纶短短切纤维维（NPPAF、高活活性粘合合处理的的对位芳芳纶短切切纤维（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，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（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（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

14、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 显显示了不不同用量量的HPAAF短纤维维增强 EPDDM 硫硫化胶拉拉伸应力力应变曲曲线，从从图4 显示 的拉伸伸应力应应变特性性数据发发现随着纤纤维用量量增加硫化胶胶的TS110TS225和TSy等增强强性能 指标逐逐步提高高，拉伸伸应力应应变曲线线的屈服服现象越来越越明显，屈屈服伸长长率相应应逐渐降降低，研研究 结果表表明相对界界面滑脱脱能RISSE的数值值确基

15、本本保持不不变这也说说明了 RISSE数值仅仅仅跟纤纤维 表面粘粘合状况况和采用用的橡胶胶配方有有关，可可能跟纤维用用量、纤纤维取向向程度和和取向角角度、纤纤维长 度等不不影响纤纤维表面面特性的的因素关关系不大大。图3 不不同用量量的高粘粘合HPAAF增强EPDDM硫化胶胶MD 的拉伸伸应力-应变曲曲线2. 预处处理间位位芳纶短短切纤维维增强EEPDMM硫化胶胶的性能能研究图4不不同表面面粘合水水平的 MAFF短纤维维增强 EPDDM硫化胶胶的应力力-应变曲曲线图（1#-未未处理 MAFF,2#-A-MAFF，3#-B-MMAF，4#-C-MMAF） 目前在在国内外外市场上上还没有有经过预预处

16、理的的间位芳芳纶13313短短纤维产产品（MMAF），弘弘宇公司司自主研发出出了浸渍渍预处理理的芳纶纶113短纤维维产品，芳芳纶 313纤维与与尼龙和和聚酯纤纤维相比比， 物理性性能方面面有很多多的优势势，尤其其是耐热热性能和高温温下的模模量和强强度保持持率很高高，所以以尽管 与对位位芳纶114144相比，其强度度和模量量要差些些，但是是该预处处理间位位芳纶短短纤维产产品仍然然具有很很 大的应应用潜力力。从图4 显示的4种不同表面粘粘合水平平预处理理的间位位芳纶 13113 短纤维增强EMPPDM 硫化胶胶 MD方向的的拉伸应应力应变变特性可可以看出出，未处处理AF113133增强EPDDM硫

17、化胶胶的拉伸伸滑脱应应力只 有5.11MPaa 左右右，滑脱脱伸长率率在20%左右，相对界界面滑脱脱能 RISSE数值仅仅仅为 0.551；三种不同同 粘合处处理方法法（A 法，B 法，C 法）进进行浸渍渍预处理理得到的的三种短短纤维样样品所增增强的 EPDDM 硫硫化胶的的拉伸力力学性能能明显提提高，其其RISSE 数值分别别为1.003、1.996、2.885，可可以看出，通通过科 学的浸浸渍粘合合预处理理工艺，能能够生产产出表面面粘合性能能优异的的预处理理间位芳芳纶短纤纤维产品品，这 是因为为间位芳芳纶 13113 纤维本本身分子子结构的的特点，相相对于对对位芳纶纶 14114 来讲，进

18、进行增粘粘预处 理相对对来说容容易得多多。表 1110phhr 用量的不同品种种短纤维维增强 EPDM 硫化胶胶的硬度度、撕裂强强度和拉拉伸应力力应变特特性等性性能数据据项目预处理短纤纤维种类类（纤维维长度 1 毫米）不加短纤维维的EPDM 母胶HPAFF/EPDM硫化胶HMAF /EPDM硫化胶尼龙 FFN66/EPDM硫化胶邵尔A 硬度/度60817676撕裂强度/(kN.m-)35424640TSy（MMPa）/10.0 8.28.7y/20%50%50%RSE/1.00 2.05 2.18 0298ssress, Ma65443pr0r F0r F0r 6, D3211005050n,

19、%图5110phhr 用量HPAAF,HHMAFF,FNN66 三种短短纤维增强EPPDM 硫化胶胶MD 向的拉拉伸应力力-应变曲曲线图5显示了了10pphr用量的三种种短纤维维（对位位芳纶HHAF，间位芳纶HMAF和高活活性尼龙龙FN66增强的的EPDDM硫化化胶拉伸伸应力应应变曲线线，表11列出了了具体的的拉伸力力学性能能数据和和硫化胶胶 硬度及及直角撕撕裂强度度性能数数据，可可以看出出，不同品种种的高粘粘合活性性处理的的短切纤纤维对三三元乙 丙橡胶胶的增强强性能差差别较大大；根据据我们以以前对预预处理尼尼龙66短纤维维增强三三元乙丙丙橡胶的的研究 结果，高高活性尼尼龙66短纤维维具有很很好的表表面粘合合活性，尼