纤维增强橡胶垫片的制备与性能测试【字数：17032】
摘 要密封垫片在石油、化工、交通运输和航空航天等诸多领域有着广泛的应用，是一种不可缺少的材料。本文以芳纶纤维增强橡胶基密封复合材料（SFRC）为研究对象，采用模压法制备垫片。以拉伸强度为指标，研究纤维长度和纤维含量对材料拉伸性能的影响，添加的纤维长度分别为1mm、3mm、和两者共混三种情况。采用Origin软件绘制SFRC拉伸强度曲线。结果表明，随着纤维质量分数的不断增加，横向和纵向的拉伸强度呈现增加趋势，并且纵向拉伸强度普遍高于横向拉伸强度，而断裂应变呈现减小趋势。因为纤维质量分数的增加导致应力被更多的分布在短纤维（1mm）上，以致应变减小，纤维与橡胶之间发生滑移，有缺陷的橡胶承受更多外界拉力，直至试样断裂。综上三种情况而言，当纤维质量分数达到4%时，纤维长度分别为3mm的垫片综合性能最优。
目 录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 纤维增强橡胶垫片的发展现状 1
1.2.1 橡胶基密封复合材料的开发 1
1.2.2 SFRC的类型和组份 2
1.2.3 橡胶基密封复合材料的制备工艺 4
1.3 目前橡胶密封材料研究工作的不足 5
1.4 本课题研究方向 5
第二章 橡胶垫片的制备 7
2.1 原材料选择 7
2.1.1 增强纤维 7
2.1.2 弹性粘结剂 8
2.1.3 化学助剂 9
2.2 配方设计 9
2.3 工艺流程 9
2.3.1 橡胶的塑炼 9
2.3.2 橡胶和配合剂的混炼 10
2.3.3 橡胶和增强纤维的混炼 11
2.3.4 模压硫化 11
2.3.5 实验设备 12
第三章 力学性能测试 14
3.1 试验设备 14
3.2试验试样 15
3.3试验步骤 17
3.4 拉伸试验结果 17
3.5 工程应力应变曲线 18
3.6 有效应力应变曲线 21
3.7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
总结 25
第四章 开炼机主要零部件的设计校核 27
4.1 开炼机的基本机构和工作原理及生产能力 27
4.2 开炼机传动系统 28
4.3 辊筒的设计校核 28
4.4 传动电机的选择 30
4.5 减速器的设计 32
第五章 结语 34
5.1 结论 34
5.2 展望 34
参考文献 35
发表论文情况 37
致谢 38
第一章 绪论
1.1 课题背景
材料作为包括信息、能源在内的现代科技三大支柱之一，其发展对人类的物质文明有着重要的推动作用。随着高新科技的高速发展，材料也有了更高和更苛刻的要求[1]。从工程角度上看，复合材料就是人为地将两种或两种以上的性质不同的材料复合成新的材料，这几种材料要求性能互补。按照需要调整材料的组分、位置、取向和比例，能够使复合材料达到单一材料无法满足的性能要求[2, 3]。
橡胶基体和纤维增强体这两个是复合材料的重要组成部分。在密封行业，尤其是在非金属垫片领域，以往使用的一般都是由石棉纤维配合橡胶而制备的密封垫片。然而在现代科技水平逐步提高的情况下，石棉对于环境的污染和人体的危害已经逐步的被人们意识到[4, 5]。在石棉材料的使用受限的情况下，寻找代石棉纤维材料已成为目前密封垫片研制领域重要课题[68]。
1.2 纤维增强橡胶垫片的发展现状
1.2.1 橡胶基密封复合材料的开发
密封垫片在石油、化工、交通运输和航空航天等诸多领域有着广泛的应用，是一种不可缺少的材料。密封材料中的主要品种是压缩纤维增强板材，它通常由增强材料，粘结剂，填料三个主要成分组成。我国生产的应用最广的板状密封材料是石棉纤维增强橡胶板（Compressed Asbestos Fiber，以下简称CAF），它具有耐高温性、绝缘性和耐腐蚀性，且具有很高的拉伸强度[9]。然而大量的研究表明：CAF板材在高温下经常因为强度下降或者由于硬化而失去回弹性能；并且石棉纤维没有弹性，是一种致癌物质[10]。石棉制品在使用过程中，直径小于3μm的石棉微纤能够悬浮在空中，并且容易被人体吸入，危害极大。最近几年，部分含石棉纤维的密封材料在国内外因其危害被禁止使用。因此目前需要研制一种非石棉纤维增强橡胶基密封复合材料（SFRC），以满足工业生产的需求。然而普通的非石棉纤维比石棉纤维更加难以加工和处理，并且与橡胶的结合度较差，价格较高，化学介质耐性不足和使用温度范围有限，因此想要研制出性能达到CAF材料的SFRC并非易事。
二十世纪七十年代开始，我国对外加工出口量不断增大，国内外许多用户，对含石棉纤维的制品提出了限制，迫切需要采用SFRC材料代替CAF材料，对SFRC产品的需求量呈上升趋势，并以船舶业和制冷业最为突出[11]。在美国和欧洲的主要西方国家逐步制定法律来禁止石棉制品的使用，西方发达国家开始研制非石棉纤维来代替石棉纤维，目前已形成规模化生产。
在中国，随着与国际大环境的不断接轨，部分地区、相关产业以及大中型厂矿企业对石棉制品的禁用也提到了议事日程上。上海工业产业结构调整规定：1998年至2000年，石棉制品被强制淘汰，并且重点发展非石棉制品来作为面向21世纪的升级换代产品之一；由于ISO14000国际环保认证，宝山钢铁集团明文规定自1999年1月1日起，禁止使用含石棉纤维的制品；包括扬子石化、高桥石化、金山石化和安庆石化等中国石化企业引进设备或者国内设计制造的出口型石化厂以及单件设备都不允许使用含石棉的密封制品；上海大众桑塔纳轿车一直从国外进口SFRC材料；船舶行业对非石棉密封制品的需求量更大，并且大多仍依赖进口，但是受到出口的限制[12]。
中国对石棉纤维的替代品研究投入较少，所以SFRC材料的研究仍处于起步阶段。合成纤维品种相对简单，产量低，成本相对较高。由于市场竞争的巨大压力，中国许多相关行业正在组织大量的人力物力资源开展合作研究。SFRC材料的开发取得了一定进展。然而，石棉纤维由聚磺酰胺（PSA）制成，因此板的耐温性不高于200℃，其基本性能仅与低压石棉橡胶板XB200相当。可以使用的温度范围非常有限，价格与国外的产品相比并没有明显优势[13]。2001年至2003年，南京工业大学流体密封与测控技术实验室采用模压成型法研究了芳纶纤维增强SFRC的配方与制备工艺，其中主要研究的是不同表面的处理方法对纤维与橡胶基体结合度的影响，芳纶纤维增强SFRC板在室温下的机械性能已达到或超过国外同类产品的规格。但其使用温度仍低于200℃。
目 录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 纤维增强橡胶垫片的发展现状 1
1.2.1 橡胶基密封复合材料的开发 1
1.2.2 SFRC的类型和组份 2
1.2.3 橡胶基密封复合材料的制备工艺 4
1.3 目前橡胶密封材料研究工作的不足 5
1.4 本课题研究方向 5
第二章 橡胶垫片的制备 7
2.1 原材料选择 7
2.1.1 增强纤维 7
2.1.2 弹性粘结剂 8
2.1.3 化学助剂 9
2.2 配方设计 9
2.3 工艺流程 9
2.3.1 橡胶的塑炼 9
2.3.2 橡胶和配合剂的混炼 10
2.3.3 橡胶和增强纤维的混炼 11
2.3.4 模压硫化 11
2.3.5 实验设备 12
第三章 力学性能测试 14
3.1 试验设备 14
3.2试验试样 15
3.3试验步骤 17
3.4 拉伸试验结果 17
3.5 工程应力应变曲线 18
3.6 有效应力应变曲线 21
3.7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
总结 25
第四章 开炼机主要零部件的设计校核 27
4.1 开炼机的基本机构和工作原理及生产能力 27
4.2 开炼机传动系统 28
4.3 辊筒的设计校核 28
4.4 传动电机的选择 30
4.5 减速器的设计 32
第五章 结语 34
5.1 结论 34
5.2 展望 34
参考文献 35
发表论文情况 37
致谢 38
第一章 绪论
1.1 课题背景
材料作为包括信息、能源在内的现代科技三大支柱之一，其发展对人类的物质文明有着重要的推动作用。随着高新科技的高速发展，材料也有了更高和更苛刻的要求[1]。从工程角度上看，复合材料就是人为地将两种或两种以上的性质不同的材料复合成新的材料，这几种材料要求性能互补。按照需要调整材料的组分、位置、取向和比例，能够使复合材料达到单一材料无法满足的性能要求[2, 3]。
橡胶基体和纤维增强体这两个是复合材料的重要组成部分。在密封行业，尤其是在非金属垫片领域，以往使用的一般都是由石棉纤维配合橡胶而制备的密封垫片。然而在现代科技水平逐步提高的情况下，石棉对于环境的污染和人体的危害已经逐步的被人们意识到[4, 5]。在石棉材料的使用受限的情况下，寻找代石棉纤维材料已成为目前密封垫片研制领域重要课题[68]。
1.2 纤维增强橡胶垫片的发展现状
1.2.1 橡胶基密封复合材料的开发
密封垫片在石油、化工、交通运输和航空航天等诸多领域有着广泛的应用，是一种不可缺少的材料。密封材料中的主要品种是压缩纤维增强板材，它通常由增强材料，粘结剂，填料三个主要成分组成。我国生产的应用最广的板状密封材料是石棉纤维增强橡胶板（Compressed Asbestos Fiber，以下简称CAF），它具有耐高温性、绝缘性和耐腐蚀性，且具有很高的拉伸强度[9]。然而大量的研究表明：CAF板材在高温下经常因为强度下降或者由于硬化而失去回弹性能；并且石棉纤维没有弹性，是一种致癌物质[10]。石棉制品在使用过程中，直径小于3μm的石棉微纤能够悬浮在空中，并且容易被人体吸入，危害极大。最近几年，部分含石棉纤维的密封材料在国内外因其危害被禁止使用。因此目前需要研制一种非石棉纤维增强橡胶基密封复合材料（SFRC），以满足工业生产的需求。然而普通的非石棉纤维比石棉纤维更加难以加工和处理，并且与橡胶的结合度较差，价格较高，化学介质耐性不足和使用温度范围有限，因此想要研制出性能达到CAF材料的SFRC并非易事。
二十世纪七十年代开始，我国对外加工出口量不断增大，国内外许多用户，对含石棉纤维的制品提出了限制，迫切需要采用SFRC材料代替CAF材料，对SFRC产品的需求量呈上升趋势，并以船舶业和制冷业最为突出[11]。在美国和欧洲的主要西方国家逐步制定法律来禁止石棉制品的使用，西方发达国家开始研制非石棉纤维来代替石棉纤维，目前已形成规模化生产。
在中国，随着与国际大环境的不断接轨，部分地区、相关产业以及大中型厂矿企业对石棉制品的禁用也提到了议事日程上。上海工业产业结构调整规定：1998年至2000年，石棉制品被强制淘汰，并且重点发展非石棉制品来作为面向21世纪的升级换代产品之一；由于ISO14000国际环保认证，宝山钢铁集团明文规定自1999年1月1日起，禁止使用含石棉纤维的制品；包括扬子石化、高桥石化、金山石化和安庆石化等中国石化企业引进设备或者国内设计制造的出口型石化厂以及单件设备都不允许使用含石棉的密封制品；上海大众桑塔纳轿车一直从国外进口SFRC材料；船舶行业对非石棉密封制品的需求量更大，并且大多仍依赖进口，但是受到出口的限制[12]。
中国对石棉纤维的替代品研究投入较少，所以SFRC材料的研究仍处于起步阶段。合成纤维品种相对简单，产量低，成本相对较高。由于市场竞争的巨大压力，中国许多相关行业正在组织大量的人力物力资源开展合作研究。SFRC材料的开发取得了一定进展。然而，石棉纤维由聚磺酰胺（PSA）制成，因此板的耐温性不高于200℃，其基本性能仅与低压石棉橡胶板XB200相当。可以使用的温度范围非常有限，价格与国外的产品相比并没有明显优势[13]。2001年至2003年，南京工业大学流体密封与测控技术实验室采用模压成型法研究了芳纶纤维增强SFRC的配方与制备工艺，其中主要研究的是不同表面的处理方法对纤维与橡胶基体结合度的影响，芳纶纤维增强SFRC板在室温下的机械性能已达到或超过国外同类产品的规格。但其使用温度仍低于200℃。
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