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二硫化钼对SBRL力学性能和耐磨性能的影响

作者: 发布时间:2018-12-20 浏览次数:145
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二硫化钼对SBRL力学性能和耐磨性能的影响

摘要:通过添加不同用量和种类的二硫化钼(MoS2)制备丁苯胶乳(SBRL)/MoS2复合材料,考察了复合材料的物理机械性能和耐磨性能。结果表明:随着MoS2用量增加,SBRL/MoS2复合材料的物理机械性能不断提高,摩擦因数不断降低,耐磨性能越好;MoS2经复配改性后,制备的SBRL/MoS2复合材料的物理机械性能和耐磨性能更好。

 

丁苯胶乳(SBRL)是以丁二烯、苯乙烯为主要单体共聚而成的高分子乳液产品的总称,是用量多的合成胶乳之一。对于SBRL相关产品的生产来说,填料的加入可以很大程度降低生产成本,又可以改善产品的一些性能。二硫化钼(MoS2)是一种性能优良的固体润滑材料,在高温、低温、高负荷、高转速和化学腐蚀等条件下具有优异的润滑性,因此被广泛用于汽车、机械和橡胶工业,且在高分子材料中可作为减小摩擦因数、提高耐磨性能和力学性能的添加剂使用。

本工作分别将未改性MoS2和有机改性MoS2添加到SBRL中,制备SBRL/MoS2复合材料。通过对所制备的SBRL/MoS2复合材料进行性能测试和微观结构表征,考察了MOS2对SBRL耐磨性能和力学性能的影响。

1实验部分

1.1 原料

SBRL:固含量为(40±1)%,淄博合力化工有限公司;MoS2:天津大茂化学试剂厂;硅烷偶联剂(KH一570):天津市东丽区天大化学试剂厂;十六烷基三甲基溴化铵(CTAB):天津津科精细研究所;无水乙醇:天津市北辰方正试剂厂;其它配合剂均为市售产品。

1.2 MoS2的有机改性

采用复合改性剂对MOS2进行改性,取一定量的MOS2粉体、分散剂无水乙醇,一同加人500ml的三口瓶中进行分散;然后将三口瓶置于80℃恒温水浴中,装上回流冷凝装置。先取一定量配制好的KH一570溶液,缓慢加入到三口瓶中,恒速搅拌24h;然后再加入配制好的CTAB溶液,继续恒速搅拌24h。将反应完成后的MoS2溶液取出静置、冷却到室温,抽滤,滤饼用乙醇洗涤3~5次,真空干燥、粉碎,即可得到KH一570/CTAB改性MoS2。

1.3 SBRL/MoS2复合材料的制备

13.1 基本配方

SBRL(以干胶质量计)100.0,硬脂酸2.0,氧化锌5.0,促进剂DM0.50,促进剂D0.5,促进剂TMTD0.2,硫磺2.0,二硫化钼变量。

1.3.2制备过程

取250ml左右SBRL放人1000ml烧杯中,将一定质量的MOS2水分散后加入其中,再量取300mL的去离子水加入其中,搅拌均匀。然后在60℃恒温水浴中持续搅拌1h,取出。用稀盐酸作絮凝剂,缓缓加入SBRL与Mos2的混合溶液中,待SBRL充分絮凝后得到大块絮凝物,用去离子水反复洗涤直为中性。再将絮凝物放在60℃的电热鼓风干燥箱中烘干。

将干燥后的SBRL/MoS2混合絮凝物在上海橡胶机械一厂生产的5X(S)K_160型双辊开炼机上塑炼,然后按一般的加料顺序加人其它配合剂,充分混炼后得到SBRL/MoS2混炼胶。静置3h左右后用上海登杰机器设备有限公司生产的MDR一2000型橡胶硫化仪测定其硫化曲线,得出正硫化时间t90,然后在上海第 一橡胶机械厂XCB-D350×350×2型电热平板硫化机上硫化即可得到SBRL/MoS2纳米复合材料,硫化条件为:15MPa×150℃×t90

1.4测试分析

(1)红外光谱(FTIR)分析:采用德国BRUKER公司的Tensor-27型红外光谱分析仪表征MOS的改性效果。

(2)X一射线衍射(XRD)分析:采用日本理学公司的D/Max2500VB2+/PC型X一射线衍射仪测试MOS2改性前后及SBRL/MoS2复合材料的XRD图谱,测试条件为:铜靶,工作电压40kV,电流200mA,扫描角范围2°~50°,连续扫描。

(3)物理机械性能测试:邵尔A型硬度按GB/T531一1999在LX-A型橡胶硬度计(上海六中量仪厂生产)上测试;拉伸性能和撕裂强度分别按GB/T528一1998和GB/T529一1999在JG-4000-0型拉力实验机(江都金刚机械厂生产)上测试,拉伸速度为500mm/min。

(4)耐磨性能测试:采用MMW-1型万能摩擦磨损试验机(济南凯德仪器有限公司生产)测试SBRL/MoS2复合材料的摩擦因数。测试条件为:对磨件为光滑不锈钢环,载荷10N,转速200r/min,摩擦力稳定后读数。

(5)热失重(TG)分析:采用HCT一1型热重分析仪(北京恒久科学仪器厂生产)对SBR/MoS2复合材料进行测试。测试条件为:吹扫气为普通N2,载气流速为20ml-/min,升温速率为10℃/min,扫描温度范围为50~800℃。

(6)扫描电镜(SEM)分析:将硫化胶置于液氮中低温脆断,将断面处喷金后在KYKY一EM3800型扫描电镜(北京中科科仪技术发展有限公司生产)上观察断面形貌并进行拍照。

2结果与讨论

2.1 MoS2的微观结构表征

2.1.1 MoS2的红外光谱分析

图1为改性前后MoS2粉体的红外光谱图。与未改性MOS2相比,KH--570/CTAB改性MOS2在3445cm-1处出现了R—SiOMo—OH中的羟基吸收峰,在2915cm-1和2842-1附近出现了-CH2-和-CH3的C-H伸缩振动吸收峰。在2363cm-1处出现的尖峰很有可能是空气中CO2的干扰峰。此外,由于改性剂分子之间的相互影响,复配改性时,有些精细结构的特征吸收峰没有出现,或变得较弱。说明改性后的MoS2粉体中存在新的物质,并且复合改性剂成功包覆在MoS2表面上。

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2.1.2 MoS2的XRD谱图分析

MoS2改性前后的XRD谱图如图2所示。

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从图2可以看出,Mos2的特征衍射峰在2θ=26.6°和44.5°处出现。经复配改性,MOS2的衍射峰位置没有发生移动,说明改性后MOS2的晶体结构未发生改变,仍保持原生粒子结构。这表明,MOS2在进行有机改性的过程中,搅拌作用产生的机械剪切力没有破坏MOS2的层状结构,改性剂长分子链没有插进MOS2的片层之间,原因是MOS2的摩擦因数小,搅拌时很难传递剪切应力。

结合MOS2的红外光谱和XRD谱图分析可知,复合改性剂与Mos2微粒表面反应形成部分共价键,改性后的MOS2粉体粒子表面只是包覆了有机物,但是其晶体结构未发生改变。经过有机改性后,MOS2的疏水亲油性提高,将其加人橡胶基体中,有利于MoS2粉体在橡胶基体中的分散,改善其与橡胶分子之间的界面相容性。

2.2 SBRL/MoS2复合材料的性能分析

2.2.1MoS2用量对SBRL硫化胶力学性能的影响

从表1可以看出,在本实验范围内随着MOS2用量的增加,硫化胶的拉伸强度不断提高,而且与纯SBRL硫化胶相比,添加20份MOS2时,拉伸强度提高了将近2倍;扯断伸长率总体变化不大,而且都比纯SBRL硫化胶的小,但是当MOS2用量为15份时,出现极大值点;定伸应力表现总体增大的趋势。这是因为MOS2为层状结构,其模量比橡胶基体高,MOS2粒子与橡胶基体的界面相结合,在拉伸的过程中,能够通过界面摩擦将部分应力传递给MOS2,这一点也可以从SBRL/MOS2复合材料的扯断伸长率较小来验证。

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硫化胶的永久变形不断增大,当Mos2用量大于等于15份时,永久变形会迅速提高。这是因为未改性MoS2粒子与橡胶基体的界面结合较差,随着MOS2用量增大,界面区应力集中效应增强,硫化胶产生大变形时,界面易分离,硫化胶易出现早期破坏。

硫化胶的邵尔A型硬度和撕裂强度不断提高,这是由于片状MOS2对撕裂纹有阻碍作用的缘故。

2.2.2 MOS2用量对SBRL硫化胶耐磨性能的影响

图3为未经改性MOS2用量对SBRL硫化胶摩擦因数的影响。从图3可以看出,随着MoS2用量增大,硫化胶的摩擦因数逐渐减小,尤其是Mos2用量增大到20份时,硫化胶的摩擦因数减幅较大,与未添加MoS2的硫化胶相比,摩擦因数减小了66.7%。

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从橡胶的摩擦特性可知,橡胶与固体物质之间的摩擦阻力可以看作是由两部分组成的,如公式(1):

F=Fa+Fh

即摩擦阻力等于摩擦表面分子相互接触产生的粘附力Fa和由于压入的微凸体使橡胶产生的滞后阻力Fh之和。因此,硫化胶的摩擦因数取决于硫化胶的变形特性及硫化胶与对磨件之间的接触面积、界面剪切强度等因素。实际测量中,随着MOS2用量的增加,摩擦因素减小:一是因为硫化胶的硬度不断提高,接触面积相对减少,产生的粘附力Fa就小,这对减小摩擦是有利的;二是因为对磨面间起减磨作用的MoS2粒子越多,硫化胶与对磨件之间的界面剪切强度越小,摩擦因数也就越小。

2.2.3 MOS2的预处理对SBRL硫化胶性能的影响

从表2可知,与未改性MOS2相比,KH一570/CTAB复配改Mos2可以进一步提高SBRL硫化胶的拉伸强度、定伸应力和撕裂强度,材料的邵尔A型硬度基本保持不变,摩擦因数进一步降低。原因是,复配改性后的MOS2粒子表面被一些有机基团所包覆,更容易与橡胶分子相结合,大大提高了其与橡胶基体的相容性,改善了MOS2在橡胶基体中的分散效果。

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2.3 SBRL/MoS2复合材料的热重分析

图4是SBRL/MOS2复合材料的热重分析图。从图4可以看出,随着MOS2用量的增加,复合材料质量损失20%以后,分解温度呈现上升趋势,说明热稳定性提高。当MOS2用量由10份增加到15份时,复合材料热分解温度提高的幅度较大。在达到失重平台后,MoS2的用量越大,复合材料的残余量越多。说明MOS2与SBRL分子链之间并没有形成化学键结合在一起,仅是分散在SBRL硫化胶基体中。这从第2.4节SBRL/MOS2复合材料的SEM照片中也可以得到验证。

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2.4 SBRL/MoS2复合材料的微观结构分析

MOS2与SBRL复合体系的XRD谱图和SEM照片如图5和图6所示,其中MOS2用量为20份。由图5和图6可知,与MOS2粉末相比,SBRL硫化胶中MOS2在26.6°处的衍射峰位置没有发生移动,说明在与SBRL复合的过程中,MOS2的片层结构没有被破坏,橡胶分子链没有插层进入MOS2的片层之间形成插层型结构。原因是在开炼机上共混,由于MOS2的片层间作用力较小,应力在传递到晶体内的缺陷造成应力集中而使晶体破坏前,其片层的滑动可以较好地分散能量,因而剪切力将MOS2片层剥开的过程主要是从外层开始,单片层地剥落;另一方面,MOS2与SBRL基体界面之间不能传递高的剪切应力,从而使胶料的粘度很大,对MOS2的剥离作用也不大。图5和图6中2θ在15°到25°之间的宽峰是橡胶基体引起的,而在31.8°和36.3°处出现的尖峰则是氧化锌的特征衍射峰,在使用氧化锌作为硫化活性剂的硫化胶的XRD谱图中都有存在。

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通过2种硫化胶的SEM照片可以看出,Mos2在SBRL中的分散效果均较好,而复配改性Mos2在SBRL基体中的分散更为均匀。这是因为在加工过程中MOS2原生粒子的粒径有一定程度的减小,但仍处在微米尺度,在一定程度上有利于其在橡胶基体中的分散。复配改性MOS2粉体与SBRL基体间的界面结合也较好,原因是经复配改性后,MOS2原生粒子表面包覆一层有机分子,有利于提高其与橡胶基体相容性。

3结论

(1)MoS2的红外光谱和XRD谱图分析表明:经过复配改性,MOS2的晶形结构没有发生改变,其粉体粒子表面成功地被KH570/CTAB复合改性剂包覆。

(2)随着MOS2用量增加,SBRL硫化胶的力学性能不断提高,摩擦因数减小,耐磨性能提高,热稳定性也较好。

(3)复配改性MOS2与SBRL硫化胶基体的相容性较好,能够进一步提高SBRL硫化胶的力学性能。

 

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