各种短纤维作为骨架增强材料加入到橡胶中可以较好地改善橡胶的综合性能。20世纪70 年代以来，人们对各种短纤维，如纤维素纤维、玻璃纤维、尼龙、聚酯纤维、碳纤维以及芳纶纤维等增强骨架材料进行了大量研究。不同纤维对橡胶性能的提升也各有不同，本文主要研究芳纶短纤维增强天然橡胶复合材料的性能影响。

芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温、优异的抗切割性和耐化学腐蚀性。采用芳纶短纤维加入到天然橡胶中制备天然橡胶/ 纤维复合材料，能够提高橡胶复合物的抗撕裂性、耐磨性，降低胎面滚动阻力。

一、试验

1. 原材料

天然橡胶（NR），RSS3，泰国进口；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石油化工股份有限公司上海高桥石化公司；高分散性RFL预浸渍芳纶短纤维，1.5D 长度3mm，青岛三雄纤维科技有限公司；炭黑N330，上海卡博特化工有限公司；其他原材料均为市售工业品。

2. 主要设备与仪器

X（S）M-1.7L型密炼机，青岛科技大学自行研制；SS-8060K 160 型开炼机，台湾松恕检测仪器有限公司；日立 Hitachi SU8010型扫描电子显微镜；SS-8350ED数显回弹试验机，台湾松恕检测仪器有限公司；SS-8600伺服控制电脑系统拉力试验机，台湾松恕检测仪器有限公司；LFA447型导热分析仪，德国耐驰仪器制造公司；GABO EPLEXOR-150N 型动态力学分析仪，德国高宝公司；Alpha RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司；SS-5643A 阿克隆磨耗试验机，台湾松恕检测仪器有限公司。

3. 试验配方

试验配方见表1。

4. 生产工艺

将胶料和炭黑、环保芳烃油和各种填充剂在密炼机中混炼，芳纶短纤维、硫黄、促进剂和黏合剂在开炼机上进行开炼。

（1）混炼。加料顺序：NR/BR→ 1/2 炭黑/ 各种填充剂→环保芳烃油/1/2 炭黑→提栓清扫→混炼→排胶，得到母炼胶。

（2）加硫取向。将母炼胶在开炼机上以最小辊距包辊后加芳纶短纤维，待橡胶表面看不到短纤维后添加硫黄、促进剂和黏合剂，待药品分散均匀后薄通8 次并以最小辊距下片，并沿下片方向进行折叠，得到终炼胶。

（3）在平板硫化机上进行硫化，其硫化条件为150℃×tc90+5min，得到硫化胶。

5. 性能测试

（1）物理性能。硫化胶物理性能测试的拉伸试样垂直于胶片下片方向，按照GB/T528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》。撕裂试样沿着胶片下片方向，按照GB/T 529-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定》测试。邵尔A型硬度按照GB/T 6031-1998《硫化橡胶或热塑性橡胶硬度的测定》在橡胶硬度仪上测试。

（2）阿克隆磨耗量。按照GB/T 1689-2014《硫化橡胶耐磨性能的测定（用阿克隆磨耗机）》进行测试，制备试样时使工作面垂直于下片面。磨耗体积计算公式：

　　ΔV=（m1-m2）/ρ　　　　　　　　　　　　 ①

式①中，ΔV—磨耗体积，cm3；

m1—摩擦前试样的质量，g；

m2—摩擦后试样的质量，g；

ρ—胶料密度，mg·m-3。

（3）橡胶回弹性测试。按照GB/T 1681-2009《硫化橡胶回弹性的测定》在MT-2207弹性试验机上进行测试。

（4）在橡胶加工分析仪（RPA）上测试硫化胶的应变扫描，测试应变为0.28%～50%，频率为60Hz；在动态力学分析仪（DMA）上测试硫化胶胎面的抗湿滑性和滚动阻力；在LFA447 型导热分析仪上测试硫化胶的导热性；通过扫描电子显微镜（SEM）来观察纤维在橡胶中的分散状态。

二、结果与讨论

1. 终炼胶性能

橡胶/ 纤维混炼橡胶的性能参数见表2。从表2 可以看出，随着芳纶短纤维添加量的增多，胶料的门尼黏度变化并不明显，可见芳纶短纤维的适量加入对橡胶的加工性影响不大。但MH-ML 表征了混炼胶的交联程度，其值随芳纶短纤维添加量的增多而增大，可能是因为芳纶短纤维加入到橡胶中形成了界面相，对橡胶基体形变有一定的限制作用，形成了大量的物理交联点进而形成交联网络结构，交联密度增大，降低胶料的流动性。

2. 硫化胶性能

橡胶/ 纤维复合材料的物理机械性能见表3。从表3 可以看出，随着芳纶短纤维添加量的增多，橡胶试样的硬度、100%定伸应力、300%定伸应力和撕裂强度提高，拉断伸长率减小。主要是因为芳纶短纤维分散在橡胶中起到骨架增强作用，提高了橡胶的刚性，橡胶硬度提升。随着芳纶短纤维添加量的增多，芳纶短纤维之间相互搭接点数目增加，在橡胶基体中形成交织的网状结构，并阻碍周围橡胶高分子链的滑动，同时在受力时，纤维与橡胶之间的结合力，都会增大橡胶试样的定伸应力和抗撕裂强度，拉断伸长率下降。

拉伸强度呈先增大后减小的趋势，这主要是因为短纤维加入量少时，受外力时，短纤维能够在一定程度上限制了橡胶基体的变形，外力首先作用在短纤维与橡胶之间的界面相上，再传递到橡胶基体中，因此拉伸强度先上升。但随着短纤维加入量的增多，试样受力时，芳纶短纤维两端在橡胶中产生两个应力集中点，应力集中点增多且破坏的可能性也变大，又降低了拉伸强度。

橡胶回弹性呈先减小后增大的趋势。阿克隆磨耗量呈现先基本不变再变大的趋势，这可能是因为芳纶短纤维加入量少时，在取向状态下摩擦，短纤维能限制橡胶基体的变形能力，在一定程度上限制裂纹的发展，同时当橡胶磨掉时，短纤维则裸露在表面，对短纤维进行磨损，一定程度上降低了磨耗量，但随着芳纶短纤维添加量的增多，应力集中点变多，受力遭到破坏的可能性变大，反而增大了磨耗量。

3. 动态分析

（1）橡胶加工分析仪

通过橡胶加工分析仪对硫化胶进行形变扫描，通过应变（Strain）和储能模量（G′）来分析芳纶短纤维在橡胶中的情况。橡胶/纤维混炼橡胶的RPA 曲线见图1。随着短纤维添加量的增多，橡胶的G′先增大后减小，间接反映了硫化胶回弹性变化，吸收能量变大，回弹性减小。

（2）动态力学分析

橡胶/ 纤维复合材料动态力学分析曲线见图2。对于芳纶短纤维/ 橡胶复合材料来说，在外力作用时，橡胶基体通过界面相传递到纤维处，因此损耗因子tanδ 间接反映了橡胶基体与芳纶短纤维之间的界面作用。可以看到，添加芳纶短纤维会降低橡胶试样的tanδ 峰值，且添加量越多，tanδ峰值越小，表明芳纶短纤维与橡胶的界面作用越差。tanδ 峰值对应的温度即玻璃化转变温度也降低，这可能是由于芳纶纤维的玻璃化转变温度低，在达到了橡胶的玻璃化转变温度时，芳纶短纤维在橡胶基体中还能够起到增强效果，不致使橡胶发生脆性破坏。芳纶短纤维的加入减少了橡胶在复合材料中的比例，通常tanδ 最大值会随着填料用量的增加而降低。另外，芳纶短纤维/ 橡胶间的相互作用越强，橡胶分子链段的活动越受限制，储能模量G′增大，导致硫化胶的损耗更低， tanδ 峰值降低。b、c 两图显示了橡胶试样的抗湿滑性能和滚动阻力。可以看出，添加短纤维能够改善胎面胶的抗湿滑性，但也提高了滚动阻力。

（3）导热性

橡胶/ 纤维复合材料的导热系数见表4。可以看出，添加芳纶短纤维的橡胶复合材料的导热性反而变差。可能是因为芳纶纤维耐高温但导热性差，在橡胶中并未起到传递热量的作用，反而阻碍了橡胶的传热。随着芳纶短纤维用量的增多，导热系数逐渐降低。

（4）扫描电子显微镜（SEM）

扫描电镜观察下的橡胶/ 纤维复合材料见图3。可以看到芳纶短纤维与橡胶的结合还比较良好，短纤维根部与橡胶的结合较好，同时芳纶短纤维表面上有挂胶。可以看到橡胶试样在受力作用时，短纤维与橡胶之间的黏合作用力，让短纤维从橡胶中拔出抵消部分外力作用，使试样性能提升，表现在定伸应力，随着短纤维加入量的增加，定伸应力也逐渐增大。

三、结论

1. 随着芳纶短纤维添加量的增多，橡胶/ 纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，撕裂强度增大，断裂伸长率减小，回弹性先减小后增大，磨耗量慢慢增大。其中添加2份芳纶纤维时，其拉伸强度和撕裂强度性能最好，同时磨耗性能最优。

2. 由于芳纶纤维本身导热性差，添加芳纶短纤维反而降低胶料的导热性能。

3. 添加芳纶短纤维能够提高胶料的抗湿滑性能，胎面滚动阻力也相应增大。