玻璃纤维∕丁苯橡胶复合材料导电性能的研究

1、 玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料导电性能研究学生姓名： 学号： 系 部： 专 业： 指导教师： 年 月 任务书论文题目： 玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料导电性能研究 系部： 专业： 学号： 学生： 指导教师（含职称）： 1课题意义及目标单独一种橡胶材料导电性有限，必须发展橡胶复合材料。玻璃纤维是一种性能优良的增强材料，其抗拉强度高，比有机纤维高6-30倍；弹性模量高，比强度和比模量高抗老化和化学腐蚀性能优良，玻璃纤维价格便宜。为了降低成本，在橡胶中加人玻璃纤维，采用混炼工艺制备出玻璃纤维增强橡胶复合材料，并研究了玻璃纤维对橡胶导电性能的影响。2主要任务 1）查阅相关文献，提出试验方案，确定基础配方和性

2、能配方；2）玻璃纤维的处理；3）确定合理的工艺路线，通过玻璃纤维的含量制备玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料；4）进行拉伸、撕裂力学性能的测试；5）进行介电常数的测试；6）用扫描电镜对其微观结构进行分析；7）记录实验结果，分析处理实验数据；对影响导电性能的因素进行分析总结；8）完成毕业论文的撰写工作。3. 基本要求1）认真学习相关书籍，查阅中外文资料，制定出合理的实验研究方案；2）认真做好各环节实验，做好实验记录，要求实验数据准确可靠；3）勤于思考，应用所学的专业知识来解决实验中遇到的问题；4）翻译一篇与本课题相关的英文文献；5）论文撰写要求严格按照材料工程系“本科毕业论文格式要求”撰写4. 主要参考

3、资料1 杨清芝. 现代橡胶工艺学M. 北京: 中国石化出版社, 2009.2 朱敏. 橡胶化学与物理M. 北京: 化学工业出版社, 1984.3 张殿荣, 马占兴, 杨清芝. 现代橡胶配方设计M. 北京: 化学工业出版社, 1994.5进度安排论文各阶段名称起 止 日 期1资料查阅，制定实验方案，完成开题报告1月3日3月18日2准备原料，处理玻璃纤维，制备复合材料3月19日4月5日3改变玻纤含量制备玻璃纤维/SBR复合材料4月6日4月25日4测试拉伸、撕裂力学性能，电性能，扫描电镜分析4月26日5月9日5分析实验数据，查漏补遗，验证试验5月10日6月3日6撰写毕业论文，制作答辩PPT及论文答辩

4、6月4日6月22日审核人： 年 月 日 玻璃纤维丁苯橡胶复合材料导电性能的研究 摘要：本课题以玻璃纤维，丁苯橡胶为原料制备了玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料，采用制得玻璃纤维含量(0-40份)不同的玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料，研究了玻璃纤维含量对丁苯橡胶复合材料力学性能、导电性能方面的影响，结果表明，玻璃纤维增强丁苯橡胶在力学性能方面有明显的提高，对导电性有明显的抑制作用。随着碳纤维含量的增加，力学性能先上升后下降，在玻璃纤维的含量为25份时，GF/SBR复合材料的力学性能最好，导电性能呈下降趋势。关键词：玻璃纤维，丁苯橡胶，复合材料，导电性Conductivity of GF/SBR Compos

5、ite Materials ResearchAbstract: This topic using glass fiber (GF), styrene-butadiene rubber(SBR) as raw material, by controlling the process conditions to prepare the amount of glass fibers(0-40phr) GF/SBR composite materials, effect of glass fiber content on the mechanical properties and electrical

6、.conductivity of glass fiber/SBR composite materials, the result show that glass fiber/SBR has significantly improved in mechanical properties and significantly inhibited on the conductivity, with the increase of glass fiber content, mechanical properties after the first rise and fall in the glass f

7、iber content of 25 phr, the mechanical properties of GF / SBR composites best, and conductivity decreased.Key words: Glass fiber, Styrene-butadiene rubber, Composites, Conductivity - 2 -目 录1 前言11.1 玻璃纤维11.1.1 玻璃纤维的概述11.1.2 玻璃纤维的表面处理及研究现状21.2 丁苯橡胶的分类、性能与应用31.2.1 丁苯橡胶的分类31.2.2 丁苯橡胶的性能41.2.3 丁苯橡胶的应用41.

8、3 丁苯橡胶的生产状况及未来发展趋势51.3.1 国外生产消费情况51.3.2 国内生产消费情况51.3.3 丁苯橡胶未来发展趋势61.4 玻璃纤维未来发展趋势61.4.1 玻璃纤维及其复合材料的制备61.4.2 玻璃纤维在聚合物基复合材料中的应用81.5 本课题研究的目的和意义92 实验部分102.1 实验配方、设备及实验原料102.1.1 实验配方102.1.2 实验设备103 实验结果与讨论153.1 玻璃纤维含量对力学性能影响153.2 复合材料导电性能分析223.2.1 偶联剂处理玻纤前后电学性能分析263.3 玻纤经处理前后SEM分析264 结论29参考文献30致谢31I1 前言玻

9、璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。玻璃纤维复合材料由于其材料性能可设计性及轻质高强的特点，应用于航空、航天及国民经济的诸多领域，如建筑、陆上交通工具、船艇和近海工程、电子、电器、体育、医疗器械等。 1.1 玻璃纤维1.1.1 玻

10、璃纤维的概述 玻璃纤维是一种性能优越的无机非金属材料，是现代材料家族中重要的一员，也是高新技术不可缺少的配套基础材料。它不仅具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强度高、化学性能好等优良性能，还可以采用有机涂覆处理技术来进行制品深加工及扩大制品的应用。用玻璃纤维增强复合材料已成为当今最热门的工业领域之一即复合材料工业的主题。因而玻纤已被广泛地用于交通、运输、建筑、环保、石油、化工、电器、电子、机械、航空、航天、核能、兵器等传统产业部门和国防、高新技术部门。玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后以极快的速度抽丝而成。目前生产玻璃纤维最常用的方法有玻璃球法和直接熔融法。玻璃球法生产工艺由制球和拉丝

11、两部分组成。根据纤维质量要求，将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料按一定的比例干混后，装入熔炉中熔融，熔融的玻璃流经造球机制成玻璃球供拉丝选用。将制好的玻璃球经热水清洗、去污和挑选后放入坩埚加热熔化，再由高速转动的拉丝机制成直径很细的玻璃纤维。直接熔融法是将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接制成各种支数的连续玻璃纤维。经研究表明，玻璃纤维的结构与玻璃的结构本质上没有什么区别，都是一种具有短距离网络结构的非晶结构。玻璃是由二氧化硅的四面体组成三维网络结构，网络间的空隙由钠离子填充，每一个四面体均由一个硅原子与其周围的氧原子形成离子键，而不是直接联到网络结构上。 玻璃纤维的物理性质由不同成分而制成的不同纤维而各

12、异，由于随着纤维直径和长度的减小，纤维中的微裂纹会相应减小，因而玻璃纤维的强度随着纤维直径和长度的减小，纤维的强度从而提高。化学组成对强度也有很大的影响。无碱玻璃纤维比有碱纤维的拉伸强度高百分之二十。含碱量越高，强度越低。玻璃纤维的化学稳定性主要取决于纤维中二氧化硅及碱金属氧化物的含量。增加二氧化硅的含量能提高玻璃纤维的化学稳定性、耐酸性及耐碱性，碱金属氧化物会使化学稳定性降低。玻璃纤维可以制成各种制品，如无捻粗纱，短切纤维毡、各种类型的布和带等，它们都在复合材料中得到应用。1.1.2 玻璃纤维的表面处理及研究现状玻璃纤维的主要成分是硅酸盐，与聚合物的界面粘合性不好，因此常常采用有机硅烷偶联剂

13、与有机铬化物偶联剂对比例纤维的表面进行处理。硅烷偶联剂一般要配制成溶液后使用，常常用酒精和水配制成0.1%-2%的稀溶液，也可以单独用水溶解，但先要配成0.1%的醋酸水溶液，以改善溶解性和促进水解，一般来说，pH为4-6时效果较好。目前，工业上采用硅烷偶联剂处理玻璃纤维的表面的方法主要有三种： （1）在玻璃纤维清洁的表面涂敷硅烷偶联剂；（2）在玻璃纤维纺丝的过程中就用硅烷偶联剂进行处理；（3）在玻璃纤维增强高聚物成型时，把偶联剂直接掺混到基体当中去。这是偶联剂的用量要大一些，为基体用量的1%-5%，这时就依靠偶联剂分子的扩散作用迁移到界面处去起到偶联剂的作用这三种方法相比，第三种的偶联效果要差

14、一些。主要原因可能是由于硅烷偶联剂分子未迁移到玻璃纤维表面就水解，缩合成硅氧烷聚合物而失去偶联剂的作用；或者是由于在粘稠的基体中不易迁移到玻璃纤维表面，因此效果降低。硅烷偶联剂作为表面处理剂，在复合材料中应用得比较广泛，效果也比较明显。比如玻璃纤维经表面处理后，可改善玻璃纤维增强复合材料的耐水性、电绝缘性、及耐老化性能等。除了硅烷偶联剂之外，玻璃纤维常用的另一大类偶联剂为有机铬化物，是玻璃纤维最早使用的偶联剂。它们是有机酸与氯化铬的络合物。目前应用得较多的是甲基丙烯酸氯化铬盐，也叫做“沃兰”。1.2 丁苯橡胶的分类、性能与应用单体：1,3-丁二烯（CH2=CH-CH=CH2）、苯乙烯（C6H5

15、C2H3 ）。聚合反应：CH2=CH-CH=CH2+C6H5-CH=CH2 -CH2-CH=CH-CH2-CH(C6H5)-CH2-n1.2.1 丁苯橡胶的分类丁苯橡胶品种繁多，如按聚合方法、聚合温度、辅助单体含量及充填剂等的不同，丁苯橡胶简分为下列几类。 （1）按聚合方法和条件分类 可以分为乳液聚丁苯橡胶和溶液聚丁苯橡胶；乳聚丁苯橡胶开发历史悠久， 生产和加工工艺成熟，应用广泛，其生产能力、产量和消耗量在丁苯橡胶中均占首位。溶聚丁苯橡胶是兼具多种综合性能的橡胶品种，其生产工艺与乳聚丁苯橡胶相比，具有装置适应能力强、胶种多样化、单体转化率高、排污量小、聚合助剂品种

16、少等优点，是今后的发展方向7。  乳液聚丁苯橡胶又可以分为高温乳液聚合丁苯橡胶和低温乳液聚合丁苯橡胶，后者应用较广，前者趋于淘汰。  在生产工艺上，乳液聚合丁苯橡胶更加成熟，因此本文主要介绍低温乳液聚合生产丁苯橡胶的生产工艺。  （2）按填料品种分类 可以分为充炭黑丁苯橡胶、充油丁苯橡胶和充炭黑充油丁苯橡胶等。（3）按苯乙烯含量分类 丁苯橡胶10、丁苯橡胶30、丁苯橡胶50等，其中数字为苯乙烯聚合时的含量（质量），最常用的是丁苯橡胶30 1.2.2 丁苯橡胶的性能丁苯橡胶与其他通用橡胶一样,是一种不饱和烯烃高聚物。溶解度参数约为8.4

17、，能溶解于大部分溶解度参数相近丁苯橡胶的烃类溶剂中，而硫化胶仅能溶胀。丁苯橡胶能进行氧化，臭氧破坏，卤化和氢卤化等反应8。在光、热、氧和臭氧结合作用下发生物理化学变化，但其被氧化的作用比天然的作用比天然橡胶缓慢，即使在较高温下老化反应的速度也比较慢。光对丁苯橡胶的老化作用不明显，但丁苯橡胶对臭氧的作用比天然橡胶敏感，耐臭氧性比天然橡胶差。丁苯橡胶的低温性能稍差，脆性温度约为-45。与其他通用橡胶相似，影响丁苯橡胶电性能的主要因素是配合剂。丁苯橡胶与一般通用橡胶相比，具有以下优缺点。缺点：纯丁苯橡胶强度低9，需要加入高活性补强剂后方可使用；丁苯橡胶加配合剂比天然橡胶难度大，配合剂在丁苯橡胶中分散

18、性差；反式结构多，铡基上带有苯环。因而滞后损失大，生热高，弹性低，耐寒性也稍差，但充油后可以降低生热；收缩大，生胶强度低，粘性差；硫化速度慢；耐屈挠龟裂性天然橡胶好，但裂纹扩展速度快，热撕裂性能差。优点：硫化曲线平坦，胶料不易烧焦和过硫；耐磨性，耐热性，耐油性和耐老化性等均比天然橡胶好，高温耐磨性好，适用于乘用胎；在加工过程中相对分子质量降低到一定程度不再降低，因而不易过炼，可塑度均匀，硫化橡胶硬度变化小；提高相对分子质量可以实现高填充，充油橡胶的加工性能好；容易与其他高不饱和通用橡胶并用，尤其是与天然橡胶或顺丁橡胶并用，经配合调整可以克服丁苯橡胶的缺点。1.2.3 丁苯橡胶的应用 按国际合成

19、橡胶生产协会（IISRP）的规定，可以用数字表示六大丁苯橡胶系列，即1000系列（高温乳聚丁苯橡胶），1100系列（高温乳聚丁苯橡胶炭黑母炼胶），1500系列（低温乳聚丁苯橡胶），1600系列（低温乳聚丁苯胶炭黑母炼胶），1700系列（低温乳聚充油丁苯胶），1800系列（低温乳聚丁苯胶炭黑母炼胶），其中以1500系列产品为主。丁苯橡胶是橡胶工业的骨干产品，它是合成橡胶第一大品种，综合性能良好，价格低，在多数场合可代替天然橡胶使用。绝大多数丁苯橡胶用于轮胎工业，其次是汽车零件，工业制品，电线和电缆包皮，胶管和胶鞋等10。1.3 丁苯橡胶的生产状况及未来发展趋势1.3.1 国外生产消费情况 丁苯橡

20、胶主要用于制作轮胎，世界丁苯橡胶的消费结构中。约53.5%用于轮胎及其制品。11.9%用于橡胶机械制品，34.6%用于其他方面。各个地区丁苯橡胶消费结构有所不同，如美国和日本用于轮胎的消费比例已达73%以上。按地区划分，亚洲地区约47%用于生产轮胎及其制品，10%用于生产橡胶机械制品，43%用于其他方面；北美地区约75%用于轮胎及轮胎制品，16%用于橡胶机械制品，9%用于其他方面；欧洲地区约64%用于生产轮胎及其制品，21%用于生产橡胶机械制品，16%用于其他方面11。 2009年，世界经济跌入低谷，汽车工业处境艰难，抑制了SBR的需求，全年SBR消费量达到477.4万吨，比上一年仅

21、增长了2.4%。其中，汽车轮胎的用量大约占消费量的54%。美国和日本SBR工业遭受到半个多世纪以来从未遇到的重创，市场严重萎缩，不得不加紧体制机构的改革，实施全球化的发展战略，以期战胜金融危机的影响。进入2010年，随着全球经济反弹，新兴经济体国家汽车工业的快速增长正推动橡胶消费增长12。1.3.2 国内生产消费情况丁苯橡胶的主要应用领域有轮胎、胶鞋和胶带、胶管等，我国从1960年开始用丁苯橡胶制造轮胎，上世纪80年代后期。轮胎中丁苯橡胶的用量仅为35%左右。丁苯橡胶约占10%。在胶鞋制造中，丁苯橡胶的用量不足10%，SR在胶带胶管中的比例最高，达到60%70%，其中丁苯橡胶约占30%40%，

22、之后，随着合成橡胶使用比例的不断提高。丁苯橡胶的应用比例也有了大幅增加。以轮胎行业为例，目前轮胎中轿车胎、农用胎及工程胎中丁苯胶占其所用合成胶的比例均在50%以上，工程胎甚至在90%以上。 目前，我国SBR的消费区域主要集中在山东、江苏、浙江、上海、福建和广东等地，竞争也主要在这些区域展开。其中山东地区年消费量在17万吨以上，约占国内总消费量的22.0%；江苏、浙江和上海地区年消费量约为15万吨，福建、广东地区的年消费量分别约为10万吨。山东地区主要以轮胎、输送带、胶管和胶鞋为主，江苏、浙江和上海地区主要以轮胎、力车胎、胶鞋为主，广东、福建地区主要以胶鞋、轮胎为主13。1.3.3 丁

23、苯橡胶未来发展趋势乳聚丁苯橡胶生产技术发展方向为：提高单体转化率；引入功能性单体以改善产品性能；使用新型乳化剂、调节剂；使用无害绿色终止剂；通过使用中途控制、中枢网络模拟的控制、推理性在线非线性反馈控制、DCS控制等调控手段强化过程控制；使用新型凝聚剂、多功能非污染型抗氧剂；对乳聚丁苯橡胶进行乳液加氢、力化学接枝、磺化等化学改性，溴化改性制高分子阻燃剂；使用新型硫化促进剂、增容剂等助剂，使用原位增强、动态硫化、辐射硫化等新技术及粉末化等。目前溶聚丁苯橡胶生产装置多数使用美国Phillips公司的间歇聚合技术，少数使用美国Firestone公司的连续聚合技术。其生产技术改进方向是：持续改进和不断

24、完善现有技术，加强能量的综合利用，节能降耗；稳定产品质量，提高生产效率；注重环保，实现绿色生产。对于溶聚丁苯橡胶等采用溶液聚合的品种，要积极采取吸收式热泵技术或开发聚合物直接浓缩和干燥工艺以降低能源消耗14。1.4 玻璃纤维未来发展趋势1.4.1 玻璃纤维及其复合材料的制备玻璃纤维的比表面积大，绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，足够的硬度，还具有相玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是本身具有相当好的物理化学稳定性以及一定程度的功能可设计性，所以说它是优良的功能材料和生态环境材料。缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、织布等工艺制造成

25、的，其单丝直径从几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。玻璃纤维是非常好的金属材料替代材料，如玻璃纤维用作增强基材和塑料构成复合材料，这一复合材料用于要求减轻自重的航天、航空、汽车、船舶等交通工具的结构和壳体器件，代替金属、纯塑料、木材等，以减轻它们所需驱动力，求得高速度并延长寿命。随着市场经济的迅速发展，玻璃纤维成为建筑、交通、电子、电气、化工、冶金、环境保护、国防等行业必不可少的原材料。由于在多个领域得到广泛应用，因此，玻璃纤维日益受到人们的重视

26、。中国玻璃纤维行业近几年的快速发展，动力来自国内和国外两个市场的拉动。国际市场的扩大，既有总需求增长的因素，也有来自国际企业前期因利润率较低退出行业后，给国内企业在国际市场留下的发展空间；而国内市场的增长，则是来自下游消费行业的快速发展。中国玻璃纤维经过了50多年的发展，已经颇具规模。聚酯树脂具有良好的加工特性，可以在室温、常压下固化成型，不释放出任何副产物，而且树脂的粘度比较适宜，可采用多种加工成型方法，如手糊成型、喷射成型、拉挤成型、注塑成型、缠绕成型等。因此聚酯树脂已被广泛应用于玻璃纤维增强材料、浇铸制品、木器涂层、卫生洁具和工艺品等，在建筑、化工防腐、交通运输、造船工业、电气工业材料、

27、娱乐工具、工艺雕塑、文体用品、宇航工具等各行各业中发挥了应有的效用，工艺性能优良，固化后树脂综合性能好，品种多、适应广泛，价格较低。环氧树脂具有优良的物理机械性能、电绝缘性能、耐药品性能和粘结性能，可以作为涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、层压材料以直接或间接使用的形式渗透到从日常生活用品到高新技术领域的国民经济的各个方面。例如：飞机、航天器中的复合材料、大规模集成电路的封装材料、发电机的绝缘材料、钢铁和木材的涂料、机械土木建筑用的胶粘剂、乃至食品罐头内壁涂层等都大量使用环氧树脂，它已成为国民经济发展中不可缺少的材料，它的产量和应用水平也可以从一个侧面反映一个国家的工业技术的发达程度。当今世界，先

28、进复合材料已成为一个国家国防安全和国民经济竞争优势的源泉。随着航空、航天等领域的飞速发展，不断提高的性能需求有力地推动了先进复合材料的开发研究。然而，要进一步扩大复合材料的应用，必须解决其高品质、低成本的问题。制备高品质复合材料的关键之一是优良的界面性能，而树脂与纤维增强体的良好浸润则是获得高质量复合材料界面的首要前提，所以树脂对纤维的浸润是一个非常重要的问题，也是一个亟待深入研究的重要课题。玻纤新品种的开发，其关键在于浸润剂技术，浸润剂中主要组分为成膜剂、润滑剂、及偶联剂。成膜剂是是浸润剂中最关键的组分，它是实现单丝集束，并保持原丝完整性的主要组分，决定了原丝硬挺性或柔软性，以满足不同品种玻

29、璃纤维制品的工艺要求，对浸润剂的性能和作用有重要影响。而我国的成膜剂研究还处于成长阶段，种类少、品种单一、综合性能不高，专业从事成膜剂合成技术研发的企业寥寥无几。润滑剂作用主要是润滑玻璃纤维表面，减少磨损。偶联剂是通过其本身的两种不同反应性质，把玻璃纤维与树脂等高分子聚合物结合起来，起到一个桥梁作用，实现无机物和有机物之间良好的界面结合，使玻纤增强材料获得满意的应用效果。这些表面处理剂一端与玻璃表面相连，另一端又能与树脂作用，既保护了玻璃纤维表面，又大大的增强了玻璃与树脂界面的粘接，使玻璃纤维与树脂间形成一个牢固的整体，提高复合材料的性能。它们对玻璃纤维的生产和应用都是非常重要的，能有效地改变

30、玻璃纤维某些缺陷和表面性质，使玻璃纤维及其制品得到更广泛应用。复合材料的性能不仅取决于增强纤维与基体的性能，而且在很大程度上取决于界面粘结的强弱。为了确保有效的应力传递和获得较好的综合力学性能，良好的界面粘结是必要的。提高树脂与纤维界面粘结能力的有效途径就是对纤维表面进行表面处理。1.4.2 玻璃纤维在聚合物基复合材料中的应用玻璃纤维主是用来增强聚合物复合材料的性能，从而具有一系列优异的性能，如高的比强度、比弹作模量，优良的耐热性、化学稳定性、耐磨性、尺寸稳定性，优异的耐疲劳性能等。另外，玻璃纤维还有耐辐射性能及特殊的光、电、磁性能，使它在航空航天、汽车、电子电器、工业机械等部门得到了广泛应用

31、，已在很多领域替代了金属材料。玻璃纤维增强的PEEK，已用于制造飞机和宇宙飞船的门把手、机舱而板、操纵杆和直升机尾翼等。PEEK/玻璃纤维材料与环氧树脂/玻璃纤维复合材料相比，具有更高的温度和沖击韧性，因而在飞机机翼、宇宙空间站等大型构件上，已用PEEK取代环氧树脂制造复合材料。玻璃纤维增强的聚酰胺、聚碳酸酯、PBT等复合材料，由于具有重量轻、强度高、弹性模量高、尺寸稳定、隔热等特点，早已在工业机械领域广泛使用。例如，玻璃纤维增强尼龙6可用于制造电钻、电机外壳、增压器管道；玻璃纤维增强聚碳酸酯，可用于制造轴承保持架、导轨、设备壳体、电子计算机零件、精密仪器零件、电动工具罩等；玻璃纤维增强PBT

32、可用于制造机械设备和办公自动化机器的零部件，如电子计算机壳体、电脑键盘、电话按键和视频磁带录音机的带式传动轴等。玻璃纤维增强的聚酰胺、PBT、PPS等复合材料，在汽车上的应用也相当广泛。例如，玻璃纤维增强尼龙6具有优良的机械强度、刚性、耐热性、尺寸稳定性和耐油性等，可用于制造汽车变速杆底座、制动器踏板、活动油箱等；玻璃纤维增强PBT具有优良的耐冲击性、动态强度、高刚性、耐气候性、尺寸稳定性和良好的成型性等，可用于制造汽车车灯壳体、发动机放热孔罩、后视镜壳体、门手板、内镜撑条、刮水器支架、制动系统组件、加速器踏板、点火系统电子组件和各种电器连接器等；玻璃纤维增强PPS具有优良的耐热性、刚性、强度

33、、耐化学药品性、尺寸稳定性和良好的成型性等，可用于制造汽车交流发电机零件、点火零件、汽化器零件、各种传感器零件、气缸盖罩、车灯反射器和灯座等。1.5 本课题研究的目的和意义研究目的：以丁苯橡胶为基体材料，玻璃纤维为增强材料，及相应的配合剂，制得复合材料，对其力学性能和和导电性能进行研究，对复合材料界面的形成及作用机理进行研究。 研究意义：加入玻璃纤维和其他不同配合剂对丁苯橡胶的绝缘性及增强效果，并找到合适的用量来提高其电阻率，降低导电性能。 2 实验部分2.1 实验配方、设备及实验原料2.1.1 实验配方表2.1 实验配方Table2.1 Experimental formula丁苯橡胶（SB

34、R）100市售氧化锌（ZnO）3市售硬脂酸1市售促DM1市售促TT0.1市售硫磺2市售炭黑N33040市售玻璃纤维变量市售2.1.2 实验设备表2.2 实验设备及仪器Table 2.2 Laboratory equipment and instruments设备名称型号生产厂家开放式塑炼机JG3010型青岛鑫城一鸣橡胶机械有限公司 电脑型无转子密闭型硫化仪MDR-2000上海登杰机器设备有限公司平板硫化机XLB-400-400-1型青岛鑫城一鸣橡胶机械有限公司拉力试验机JG-4000型江都市金刚机械厂扫描电镜KYKY3800型北京中科科仪技术发展有限公司高绝缘电阻测量仪ZC-90型上海汉仪电气

35、科技有限公司冲片机CP-25型上海化工机械四厂2.1.3 实验原料（1）丁苯橡胶（2）玻璃纤维（3）硅烷偶联剂及各种橡胶混炼配合剂2.2 实验工艺过程2.2.1 玻璃纤维的表面处理玻璃纤维表面处理的目的：纤维增强复合材料的性能，主要取决于增强纤维和基体材料以及两者之间的结合界面性能。而界面结合性能受纤维与基体间的机械摩擦力和化学键结合力强弱的影响。其中机械摩擦力与纤维的比表面积、表面形态等因素有关；化学键合作用力则与纤维和基体的化学活性以及二者的化学交互作用有关。碳纤维表面处理的目的就是为了增大纤维的比表面积，增强纤维表面的化学与物理活性。玻璃纤维表面处理机理：（1）首先为硅烷偶联剂的水解；（

36、2）硅醇之间进行缩合反应；（3）吸水玻璃纤维的表面与硅醇之间形成氢键；（4）最后干燥脱水，玻璃纤维表面与硅醇之间形成共价键。2.2.2 玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料的制备（1）把长玻纤剪至2-3毫米的短玻璃纤维，然后用KH550、无水乙醇、去离子水按一定比例混合的溶液浸泡三小时，最后用烘箱烘干。（2）橡胶的混炼，根据混炼工艺的加料顺序依次加入炼出胶料。（3）测出所做橡胶的T90。硫化历程图: 根据硫化历程图的分析，橡胶的硫化历程可分为四个阶段。即焦烧阶段、热硫化阶段、平坦硫化阶段和过硫化阶段。（4）根据T90在平板硫化机上进行硫化，达到正硫化时间取样。（5）用压片机将所得样品压成样条。2.2.3

37、 玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料实验工艺流程图KH-580处理处理玻璃纤维SBR配合剂双辊开炼机GF/SBR共混物GF/SBR混炼胶硫化时间T90平板硫化仪 拉伸强度，撕裂强度，硬度，扫描电镜段断面观测， 体积电阻率测 图2.1 实验工艺图 Figure 2.1 Experimental artwork2.3 玻璃纤维/丁苯橡胶复合材料性能测定2.3.1 力学性能测定力学性能是指材料在外力作用下，产生和发生形变（可逆与不可逆）及抵抗破坏的能力。它是决定制品使用性能的一项重要指标。冲片机上将并用胶制成如图所示的哑铃状的标准试样，然后在拉力试验机上进行实验，测得并记录拉伸强度，断裂伸长率，100%定伸

38、强度，300%定伸强度。橡胶的撕裂是由于材料中的裂纹或裂口受力迅速扩大开裂而导致破裂的现象。橡胶的撕裂一般是指沿着分子链数目最少，即阻力最小的途径发展。因此裂口的发展途径是选择内部结构较弱的线路进行的。撕裂强度的真正含义是撕裂能。橡胶撕裂所需要的能量称为撕裂能，定义为每单位厚度的试样产生单位裂口所需要的能量。撕裂能包括材料表面能、塑性流动耗散的能量以及不可逆粘弹性过程所耗散的能量。撕裂强度与拉伸强度没有直接的关系，一般断裂伸长率以及粘弹损耗的胶料会有较高的撕裂强度。裤型撕裂强度：用平行于割口的平面的外力作用于规定的裤型试样上，将试样撕断所需的力除以试样厚度。橡胶撕裂强度测量的试样种类有裤型试样

39、、直角形试样、新月形试样。通常采用的直角形试样，图2.3所示： 平行长度 夹头间距图2.2 哑铃状试样的形状 Figure 2.2 Dumbbell shape specimen 图2.3 直角形试样 Figure 2.3 Rectangular-shaped specimen2.3.2 介电常数的测定介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降，理想导体内部由于静电屏蔽场强总为零，故其介电常数为无穷大。2.3.3 电阻率的测定电阻率较低的物质被称为导体，常见导体主要为金属，而自然界中导电性最佳的是银，其次为半导体，硅锗。当

40、存在外电场时，金属的自由电子在运动中不断和晶格节点上做热振子的正离子相碰撞，使电子运动受到阻碍，因而就具有了一定的电阻。其他不易导电的物质如玻璃、橡胶等，电阻率较高，一般称为绝缘体。介于导体和绝缘体之间的物质则称半导体。2.3.4 击穿电压的测定击穿电压是电容器的极限电压，超过这个电压，电容器内的介质将被击穿。额定电压是电容器长期工作时所能承受的电压，它比击穿电压要低。电容器在不高于击穿电压下工作都是安全可靠的，不要误认为电容器只有在额定电压下工作才是正常的。2.3.5 微观结构测定扫描电镜的一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。由于

41、图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息。扫描电镜所显示的断口形貌从深层次，高景深的角度呈现材料断裂的本质，在材料断裂原因的分析一个强有力的手段。 SEM的分辨率虽然不及TEM，但对于研究纳米复合材料的断面以及表面结构非常重要。所以本实验采用了SEM来研究复合材料的断面结构。3 实验结果与讨论3.1 玻璃纤维含量对力学性能影响对不同含量玻璃纤维的GF/SBR复合材料进行力学性能测试，所得实验数据如下表3.1所示：表3.1 不同玻璃纤维添加量的GF/SBR复合材料力学性能Table 3.1 GF/SBR Mechanical properties o

42、f composites with different levels of glass fibers性能GF份数邵氏硬度（HA）拉伸强度/MPa撕裂强度N/mm100%定伸应力/MPa300%定伸应力/MPa断裂伸长率%05112.5124.880.751.532190.3355413.2327.120.821.732078.43105814.7431.230.941.862064.31156116.5432.471.042.141897.23206518.7234.061.182.951742.85256920.5236.131.233.421634.57307119.0433.741.14

43、3.141603.42357317.1530.281.022.761549.08407415.2328.930.972.431506.74由表3.1可以看出，随着玻璃纤维含量的增加，GF/SBR复合材料的撕裂强度、拉伸强度、定伸应力都是先增大后减小，断裂伸长率一直减小，而硬度一直增大，当玻璃纤维的含量为25份时，GF/SBR复合材料的各项力学性能达到最好。 玻璃纤维的含量对GF/SBR复合材料的拉伸强度影响很大，如图3.1是玻璃纤维含量不同GF/SBR复合材料的拉伸强度数据图。图3.1 GF的含量对GF/SBR复合材料的拉伸强度的影响Figure 3.1 Effect of the conte

44、nt of GF on tensile strength of the GF/SBR composites从图3.1可以看出，玻璃纤维很大程度的增强了丁苯橡胶的拉伸强度，随着玻璃纤维含量的增加，GF/SBR复合材料的拉伸强度先增大后减小，最大拉伸强度为添加25份玻璃纤维补强的丁苯橡胶，与未添加玻璃纤维时测得的丁苯橡胶的拉伸强度相比，GF/SBR复合材料的拉伸强度提高了64.1%。当玻璃纤维含量小于25份时，随着玻璃纤维密度的增加，与制得的GF/SBR复合材料对外界的抵抗能力增大，拉伸强度增强；当玻璃纤维的含量大于25份时，随着玻璃纤维含量的增加，由于玻璃纤维的刚、硬，在炼胶等过程中破坏了丁苯橡

45、胶的分子结构，从而使其GF/SBR复合材料的拉伸强度降低。玻璃纤维的含量对GF/SBR复合材料的撕裂强度影响很大，如图3.2是不同玻璃纤维含量GF/SBR复合材料的撕裂强度数据图。 图3.2 GF的含量对GF/SBR复合材料的撕裂强度的影响Figure 3.2 Effect of the content of GF on tear strength of the GF/SBR composite由图3.2可以看出，不同含量的玻璃纤维对GF/SBR复合材料的撕裂强度影响很大，随着玻璃纤维含量的增加，GF/SBR复合材料的撕裂强度先迅速增大，然后缓慢减小；与未添加玻璃纤维的丁苯橡胶相比，添加25份

46、玻璃纤维制得的GF/SBR复合材料的撕裂强度提高了45.2%。在玻璃纤维含量较少时，基体承载的力能够很好的通过界面传递给玻璃纤维，玻璃纤维刚、硬的特性，能够承受基体所受到的载荷，然而随着玻璃纤维含量的增加，玻璃纤维刚、硬的特点破坏了基体的分子结构，使得基体分子量下降，因此性能反而变差。玻璃纤维的含量对GF/SBR复合材料的硬度影响很大，如图3.3是玻璃纤维含量不同GF/SBR复合材料的硬度数据图。 图3.3 GF的含量对GF/SBR复合材料的硬度的影响 Figure3.3 Effect of the content of GF on hardness of the GF/SBR composi

47、te从图3.3可以看出，不同含量的玻璃纤维对GF/SBR复合材料的硬度影响很大，玻璃纤维的加入，能很大程度的提高GF/SBR复合材料的硬度；随着玻璃纤维含量的增加，GF/SBR复合材料的硬度先快速增大后基本保持不变，与未添加玻璃纤维的丁苯橡胶相比，硬度得到明显提升。在玻璃纤维含量较少时，基体承载的力能够很好的通过界面传递给玻璃纤维，玻璃纤维刚、硬的特性，能够承受基体所受到的载荷，然而随着玻璃纤维含量的增加，玻璃纤维刚、硬的特点破坏了基体的分子结构，使得基体分子量下降，但玻璃纤维达到一定量后，对GF/SBR复合材料的硬度影响基本不变。玻璃纤维的含量对GF/SBR复合材料的定伸应力影响很大，如图3

48、.4和图3.5是玻璃纤维含量不同GF/SBR复合材料的定伸应力数据图。 图3.4 GF的含量对GF/SBR复合材料的100%定伸应力的影响 Figure 3.4 Effect of the content of GF on 100% modulus GF/SBR composite从图3.4可以看出，不同含量的玻璃纤维对GF/SBR复合材料的100%定伸应力影响很大，玻璃纤维的加入，能很大程度的提高GF/SBR复合材料的100%定伸应力；随着玻璃纤维含量的增加，GF/SBR复合材料的硬度先快速增大后减小，与未添加玻璃纤维的丁苯橡胶相比，添加25份时100%定伸应力达到最强。在玻璃纤维含量较少时

49、，基体承载的力能够很好的通过界面传递给玻璃纤维，玻璃纤维刚、硬的特性，能够承受基体所受到的载荷，然而随着玻璃纤维含量的增加，玻璃纤维刚、硬的特点破坏了基体的分子结构，使得基体分子量下降，因此性能反而变差。 图3.5 GF的含量对GF/SBR复合材料的300%定伸应力的影响 Figure 3.5 Effect of the content of GF on 300% modulus GF/SBR composite从图3.5可以看出，不同含量的玻璃纤维对复合材料的300%定伸应力的影响很大，玻璃纤维的加入，能很大程度的提高GF/SBR复合材料的300%定伸应力；随着玻璃纤维含量的增加，GF/SB

50、R复合材料的硬度先快速增大后减小，与未添加玻璃纤维的丁苯橡胶相比，添加25份时300%定伸应力达到最强。在玻璃纤维含量较少时，基体承载的力能够很好的通过界面传递给玻璃纤维，玻璃纤维刚、硬的特性，能够承受基体所受到的载荷，然而随着玻璃纤维含量的增加，玻璃纤维刚、硬的特点破坏了基体的分子结构，使得基体分子量下降，因此性能反而变差。玻璃纤维的含量对GF/SBR复合材料的断裂伸长率影响很大，如图3.6是玻璃纤维含量不同GF/SBR复合材料的断裂伸长率数据图。 图3.6 GF的含量对GF/SBR复合材料的断裂伸长率的影响 Figure3.6 Effect of the content of GF on

51、elongation of the GF/SBR composite由图3.6可以看出，不同含量的玻璃纤维对GF/SBR复合材料的断裂伸长率影响很大，随着玻璃纤维含量的增加，GF/SBR复合材料的断裂伸长率先迅速减小，然后增大。在玻璃纤维含量较少时，基体承载的力能够很好的通过界面传递给玻璃纤维，玻璃纤维刚、硬的特性，能够承受基体所受到的载荷，然而随着玻璃纤维含量的增加，玻璃纤维刚、硬的特点破坏了基体的分子结构，使得基体分子量下降，因此性能反而变差。综上所诉，经补强后的SBR有更高的拉伸强度和撕裂强度，力学性能显著提高。拉伸强度和断裂伸长率都出现了峰值随后缓慢降低，这是由于随着玻纤量的增多，复合

52、材料的性质趋向于玻纤。玻璃纤维性脆、纤维之间容易磨损,导致耐屈挠性能差。其次GF量的增多其与橡胶的结合情况会变得不均匀，其与橡胶的粘合性能不太理想,进而未能充分发挥优势。3.2 复合材料导电性能分析 表3.2 玻璃纤维不同添加量的电学性能 Table 3.2 Electrical properties of glass fibers with different amounts 玻纤添加量/份体积电阻率/×1015m06.156.4106.8157.2207.4257.8308.1358.3408.5 为了更加形象直观的反映出表3.2中的体积电阻率的变化，制图表示不同含量玻璃纤维的GF/SBR复合材料的体积电阻率的变化情况，如图3.7所示。 图3.7 GF的含量对GF/SBR复合材料的体积电阻率的影响 Figure 3.7 Effect of the content of GF on volume resistivity of the GF/SBR composite从图3.9可以看出，玻璃纤维的含量对GF/SBR复合材料的体积电阻率