瀝青基碳纖維的表面改性及與納米填料并用填充橡膠基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、碳基填料如炭黑（CB）、導(dǎo)電炭黑（CCB）、碳纖維（CF）、碳納米管（CNT）等，由于具有輕量化和耐磨性的特點而被廣泛研究并應(yīng)用于聚合物基復(fù)合材料中。但是，由于它們在結(jié)構(gòu)和形態(tài)上大為不同，導(dǎo)致在聚合物基體中的表現(xiàn)也不盡相同。CF具有所有纖維中最高的比模量和比強(qiáng)度，并且具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和化學(xué)惰性，線性熱膨脹系數(shù)幾乎為零，已經(jīng)成為制備高性能復(fù)合材料必不可少的增強(qiáng)材料之一。目前關(guān)于 CF的研究，主要集中在以聚丙烯腈（PAN）基 CF在

2、樹脂基復(fù)合材料中的應(yīng)用；而與 PAN-CF相比，瀝青基碳纖維（PCF）由于石墨化程度更高而具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。因此，本工作針對高性能短切 PCF在橡膠基體中的應(yīng)用展開研究，考察了 PCF的表面改性方法及與納米填料并用對天然橡膠（NR）和丁腈橡膠（NBR）的力學(xué)性能、耐熱性、動態(tài)粘彈性及導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的影響，并分析 PCF與兩種橡膠間的界面相互作用機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以硝酸（1-3 h）、臭氧（0.5

3、-4.5 h）和熱空氣（20-320 min）作為氧化介質(zhì)，對 PCF進(jìn)行一系列不同時間的表面改性。采用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、激光拉曼光譜（Raman）及 X射線光電子能譜（XPS）分析不同改性方法及處理時間對 PCF的表面形貌、表面結(jié)構(gòu)完整性、石墨化程度以及表面化學(xué)性質(zhì)的影響。實驗證實，三種改性方法均對 PCF具有明顯的氧化刻蝕作用，改性后纖維的表面粗糙度提高，且處理時間越長，效果越顯著；其中硝酸處理后的 PCF表

4、面形貌粗糙度提高最為明顯。臭氧處理后，PCF表面的石墨化程度及晶粒尺寸減小，含氧量顯著提高，說明PCF的表面活性得到有效改善。⑵PCF單獨填充NR時，無論改性與否，均顯著降低NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度。但與CB、白炭黑（silica）并用后能有效提高NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度。采用未改性的PCF單獨填充時，NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度約為3 MPa，而與CB、silica并用后，則可分別提高到18.6 MPa和23.7MPa，硝酸改性PCF與CB、sili

5、ca并用時，則可分別達(dá)到24.5 MPa和24.7 MPa，說明硝酸處理對PCF/CB增強(qiáng)體系效果明顯，但對PCF/silica影響甚小。硝酸、臭氧和熱空氣改性均能有效提高 NR硫化膠（PCF/N330=5/30 phr）的力學(xué)性能，三種改性方法的最佳處理時間分別為3 h、2.5 h和320 min。由SEM可知，改性后PCF與NR基體間的界面結(jié)合效果明顯改善，界面脫粘和纖維拉伸拔出現(xiàn)象大大減少。在最佳的改性時間條件下，三種改性方法均使

6、NR/PCF/CB復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨PCF用量的增加均呈先增加后減小的變化趨勢，且最佳用量均為5 phr。PCF對復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度具有負(fù)面效用，且填充量越大，撕裂強(qiáng)度越低。與未添加 PCF時相比，添加5 phr酸化處理3 h的PCF后，NR/PCF/CB復(fù)合材料的起始分解溫度提高了約10℃。隨PCF用量的增加，導(dǎo)熱率基本呈線性增加；G'明顯增大，tanδmax規(guī)律降低而高彈態(tài)的tanδ則相反。⑶導(dǎo)電炭黑VXC72單獨填充NBR時，N

7、BR/CCB硫化膠的體積電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)隨 VXC72用量的增加分別呈階梯型下降和線性增大趨勢，體積電阻率的逾滲閾值出現(xiàn)在25phr。CCB/PCF并用填充NBR時，其體積電阻率隨PCF用量的增加略有降低；而導(dǎo)熱系數(shù)基本呈線性增大趨勢。填充20phr PCF的NBR/PCF硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.33 W/m，較NBR/CCB提高了約30％。雙輥開煉使 PCF的長徑比嚴(yán)重降低，這可能是 PCF對NBR硫化膠的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能提高幅度不大的主