摘 要

为充分利用芳纶纤维的高韧性、高强度、高分解温度等特点，达到改善三元乙丙橡胶的力学强度、耐热性能，增加三元乙丙橡胶应用范围的目的，本文利用转矩流变仪在180 ^oC，60 r/min的工作条件下对三元乙丙橡胶和芳纶浆粕纤维的混合物进行密炼共混。

实验过程中，通过改变芳纶浆粕纤维的质量百分数，探究三元乙丙橡胶和芳纶浆粕合适的的配比以得到机械性能、耐热性能等各方面性能优异的复合材料。此外，通过结构及形貌表征探究芳纶含量影响复合材料静态力学性能、动态力学性能、耐热性能的原因，进一步优化复合材料的加工工艺，提高芳纶纤维/三元乙丙橡胶复合材料性能。

实验结果表明，在一定范围内，随着芳纶浆粕含量的增加，复合材料试样的拉伸强度逐渐增强。当芳纶浆粕用量为10 phr时，拉伸强度最大为6.42 MPa，断裂伸长率为739.08 %。当芳纶浆粕用量达到15 phr时，拉伸强度略有降低为6.22 MPa，断裂伸长率降低为231.67 %。动态力学结果也体现了芳纶浆粕的增强能力。在20-200 ^oC温度扫描范围内，芳纶浆粕的加入，提高了复合材料的动态储能模量，减少了动态损耗因子，有利于复合材料在高温条件下的使用。芳纶纤维/三元乙丙橡胶复合材料的热分析结果表明，芳纶浆粕的加入提高了复合材料的热分解温度，降低了最高热分解速度，增加了燃烧后残余物质量。在同样的条件下，对相同尺寸的试样进行燃烧测试，将添加有芳纶的橡胶燃烧完所需要的时间更长。

关键字：芳纶纤维；三元乙丙橡胶；力学性能；耐热性能

Abstract

This work uses torque rheometer under the condition of 180 ^oC, 60 r/min for 8 min to completely mix up the EPDM with Kevlar pulp whose ductility is high, toughness is strong and decomposition temperature is high which can enhance the mechanical property, dynamic mechanical thermal performance and heat-resistant property of EPDM in some degree as the result of combination.

During the experiment we changed the amount of the Kevlar pulp to optimize the method of getting excellent Kevlar pulp/EPDM composite. In addition, we try to explore the reason for the enhancement or debasement of the property after changing the amount of the Kevlar pulp by testing the morphology and the structure of the composite.

The result of the experiment shows that within limits, the tensile intensity of the composite raises as the amount of the the Kevlar pulp increases. When the amount of the Kevlar pulp is 10 phr, the tensile intensity is 6.42 MPa which is the highest and the elongation at break is 739.08 %，much bigger than that of the composition in which Kevlar pulp is 15 phr. The result of dynamic mechanical thermal analysis demonstrates that the addition of the Kevlar pulp improves the storage modulus of the composite and decrease the tan delta of the composite which broaden the application of the material in high temperature.The thermal analysis result of that Kevlar pulp/ EPDM composite also demonstrates that the addition of the Kevlar pulp increases the thermal decomposition temperature, decreases the fastest decomposition speed and gains more combustion residue. So, the ablative resistance of the rubber is improved by adding the Kevlar pulp into it. When burning the different sample with the same size under the same condition, it takes much more time of the sample added Kevlar pulp to finish.

Key words: Kevlar pulp; EPDM; Mechanical Property; Heat- Resistance

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2绝热材料 1

1.3三元乙丙橡胶内绝热材料 2

1.3.1三元乙丙橡胶的分类 2

1.3.2三元乙丙橡胶的结构与性能 2

1.3.3三元乙丙橡胶的用途 3

1.4三元乙丙橡胶复合材料 4

1.4.1三元乙丙橡胶复合材料 4

1.4.2复合材料的制备工艺 4

1.5纤维增强材料 4

1.5.1芳纶纤维 6

1.5.2芳纶纤维的结构与性能 7

1.6国内外研究进展 7

1.7本文研究的目的 8

第二章 实验部分 9

2.1实验的原材料与配方 9

2.2实验设备及测试仪器 9

2.3实验加工工艺 9

2.3.1原料的准备 9

2.3.2原料的混合 9

2.3.3压片 9

2.4测试试样的准备 10

2.5材料表征及性能测试 10

2.5.1红外分析 10

2.5.2机械性能 10

2.5.3动态机械性能 11

2.5.4综合热分析 11

2.5.5橡胶燃烧性能测试 11

2.5.6扫描电子显微镜分析 12

第三章 结果与讨论 13

3.1原料的结构与形貌分析 13

3.2芳纶含量对三元乙丙橡胶力学性能的影响 14

3.3芳纶浆粕对三元乙丙橡胶动态力学性能分析 15

3.4芳纶浆粕对三元乙丙橡胶耐热性能分析 16

3.5芳纶浆粕对三元乙丙橡胶耐烧蚀性能分析 17

3.6芳纶浆粕在试样中分散情况的分析 17

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1引言

随着科技的发展，人们对世界、宇宙的探索越来越深入，对特定特殊性能材料的需求也越来越高。在这样的需求的推动和激励下，科学家对材料的研究越来越全面，打破了人们对材料的传统理解。

内绝热材料，一种在高温下仍能保持原有性能，正常工作的耐高温材料，在火箭事业快速发展的时代逐渐引起科学家的关注，在火箭事业中发挥着重要的作用^[1]。由于在火箭发动机的制作以及使用过程中会受到很多作用力，例如火箭升空过程中，固体发动机会受到高速度热流的强烈冲刷作用以及产生的震动应力；在施工过程中会受到火箭本身应力重力作用等。因此，内绝热材料不仅仅需要具备高温下正常工作的能力，同时需要具有较高的拉伸强度和断裂伸长率，在大的应力作用下不会发生断裂^[2]。综合两方面的需求，通常火箭发动机的绝热材料代用热导系数低、弹性模量低、断裂伸长率高、密度小的弹性材料，以满足对使用、施工和运输的要求。

1.2绝热材料

由于高分子材料具有可调节的分子量和很宽的分子量分布，较长的分子链，复杂的链段运动和分子链运动等特点，将其与无机材料和金属材料等区别开来。高分子材料在受热时会发生裂解碳化，形成致密的多孔碳化层，且强度较高，在具有低的热导系数的条件下，可以有效阻止热量的扩散。特有结构特性给高分子材料带来了弹性、耐高温性和低密度等优势使其成为内绝热材料的的主要成分。但和无机材料相比，高分子材料的使用温度相对较低^[3]。为得到性能综合的材料，会采用在高分子材料中添加无机填料的方式来改善材料耐热和阻燃性能，使得形成的碳化层以及未碳化层在高速热流冲刷下不易发生脱落，具备更加持续的力学性能。因此，一般内绝热材料以高分子基体材料为主体，在其中添加具有阻燃、耐烧蚀等性能的填料。对于一些特殊用途的材料还会选用增稠剂、乳浆液、白炭黑等工业助剂来进行增强改性。现在应用较为广泛的内绝热材料大多是炭化型内绝热材料。

1.3三元乙丙橡胶内绝热材料

三元乙丙橡胶（EPDM）是一种为模制和挤出应用而设计的烃橡胶，是一种非常理想的模塑材料。三元乙丙橡胶是由乙烯、丙烯和少量共轭二烯烃反应生成的三元共聚物。相对于聚乙烯和聚丙烯规整的结构，三元乙丙橡胶中由于乙烯和丙烯的单体是无规则地排列在分子主链上的，因此材料变成弹性体，加工性能优异。此外，由于共聚物中没有极性取代基且双键处在侧链，链节柔顺^[4]，因而三元乙丙基橡胶具有大的比热，高延伸率、较低的玻璃化转变温度、良好的耐热性能以及烧蚀性能。综上，EPDM的低粘度和低结晶度使得它具有良好的加工性能以及产品特异性。

1.3.1三元乙丙橡胶的分类

三元乙丙橡胶是由乙烯和丙烯通过溶液共聚合，然后引入第三单体——二烯烃而形成的橡胶。根据分子中乙烯、丙烯、二烯烃相对含量的不同以及二烯烃种类的不同，可以将EPDM分为很多种类^[5]。