【摘 要】
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纤维帘线增强橡胶复合材料在冶金煤矿、交通运载和介质输送等工程领域占据重要地位,但合成纤维表面光滑且呈现化学惰性,导致帘线与橡胶的粘合力极弱。纤维/橡胶间粘合体系多采用间苯二酚-甲醛-胶乳(RFL)。然而,体系中的间苯二酚-甲醛(RF)对人体和环境有严重的危害。随着原料绿色化进程快速推进,环保浸渍体系应运而生。环保的水性羟基丙烯酸树脂(AC)含有大量极性基团,可以替代富含酚羟基和羟甲基的RF树脂,并
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目(51833002):纤维的环保浸渍处理及其复合材料的界面粘合性能调控机理研究; 国家自然科学基金重大项目(51790501):大飞机子午线轮胎先进复合材料及结构的设计与制造基础研究
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纤维帘线增强橡胶复合材料在冶金煤矿、交通运载和介质输送等工程领域占据重要地位,但合成纤维表面光滑且呈现化学惰性,导致帘线与橡胶的粘合力极弱。纤维/橡胶间粘合体系多采用间苯二酚-甲醛-胶乳(RFL)。然而,体系中的间苯二酚-甲醛(RF)对人体和环境有严重的危害。随着原料绿色化进程快速推进,环保浸渍体系应运而生。环保的水性羟基丙烯酸树脂(AC)含有大量极性基团,可以替代富含酚羟基和羟甲基的RF树脂,并且通过引入含有三嗪环结构的氨基树脂(MA),可以形成刚性的网状结构。因此,本课题以羟基丙烯酸树脂/氨基树脂体系为主要研究对象,针对表面特性不同的尼龙66纤维(PA66,1400 dtex/2)和芳纶纤维(AF,1670 dtex/2),通过调控浸渍体系组成,构筑不同的表面处理结构,揭示表面结构与粘合性能的关系,阐明粘合机理,设计制备了可有效替代RFL的环保浸渍体系,主要研究内容包括:(1)基于传统环氧树脂/封端异氰酸酯的一浴预处理,设计制备了羟基丙烯酸树脂/氨基树脂/丁吡胶乳二浴环保浸渍体系,分析了浸渍组分的固化反应机理以及浸渍体系组成对表面处理结构(化学组成、表面形貌、附胶量)的影响,明确了表面结构与粘合性能的关系。研究表明,浸渍组分发生反应并涂覆到纤维表面;对于PA66纤维,随着MA用量增加,改性纤维的附胶量提高,粘合性能呈现先增大后减小的趋势,抽出和剥离的破坏区域由界面转移至橡胶基体;随着催化剂用量的增加,改性纤维表面胶膜的均匀平整性提升,粘合性能呈现先升高后降低的现象;当AC/MA为4:0.5,催化剂用量为MA固含量的6%时,改性PA66与橡胶的H抽出力、剥离力和剥离后的附胶量分别达到RFL处理水平的103.9%、100.9%和100.7%。对于AF纤维,浸渍体系组成对纤维表面处理结构的影响规律与改性PA66纤维相同,当AC/MA为4:0.8,催化剂用量为MA固含量的6%时,改性AF与橡胶的H抽出力、剥离力和剥离后的附胶量分别达到RFL处理水平的103.0%、97.8%和99.2%。其粘合机理在于,AC/MA交联网络上的羟基等极性基团,可以与未改性纤维或活化纤维表面的极性和功能基团形成化学键合作用;分散在树脂网络中的胶乳能与橡胶反应形成交联键。测试发现,处理工艺与浸胶涂层对纤维强度不会产生显著影响,且二浴环保浸胶液的稳定性好,具有潜在工业应用前景。(2)工业上通常采用RFL一浴浸渍处理PA66纤维,因此在二浴浸渍体系的基础上通过添加封端异氰酸酯(CBI)制备出新型一浴环保浸渍体系。探究了浸渍组分的固化反应机理以及AC的羟基和CBI含量对PA66纤维的表面处理结构与粘合性能的影响。研究表明,浸渍组分涂覆到纤维表面并反应形成胶乳增韧的树脂网络,随着CBI和AC羟基含量的增加,改性纤维表面胶膜的平整均匀性和附胶量提高,粘合性能呈现先升高后降低的趋势,当AC羟基含量为3.6%,CBI固含量为3 wt%时,改性纤维/橡胶复合材料的H抽出力、剥离力和剥离后的附胶量分别达到RFL处理水平的91.6%、80.8%和92.6%。分析与二浴法粘合性能差距较大的原因:二浴法中首先使用CBI预处理纤维,可以更好的活化纤维表面。此外,改性纤维强度损失较小,且一浴环保浸渍液显示出良好的稳定性。
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