橡胶中使用长纤维做骨架材料的主要目的在于提高制品的力学强度和模量，限制其外力作用下的变形。长纤维与橡胶的复合，制造工艺是比较麻烦的。短纤维橡胶复合体的强度虽不及长纤维橡胶复合体，但具有保持橡胶制品形状的性能，以及可控制复合体的强度、弹性模量和纤维定向等；加工方面也不象长纤维复合体那样复杂，用开炼机、密炼机、挤出机等通用橡胶机械即可容易地加工成型。

一．短纤维的特点

（一）短纤维的种类

橡胶复合材料用的短纤维有下述的丝和麻等天然纤维；聚酯和芳纶纤维等合成纤维；碳纤维等无机纤维以及金属纤维。

1．天然纤维：丝纤维、麻纤维、椰子纤维、木材纤维素纤维、木浆纤维、黄麻纤维等。

2．合成纤维：丝聚酯纤维、维纶纤维、人造丝纤维、芳纶纤维等。

3．无机纤维：碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、钛酸钾纤维、石墨纤维等。

4．钢纤维

（二）短纤维的长度

短纤维的长度及与其相应的长径比对橡胶复合材料的性能影响很大。橡胶工业用的短纤维一般指纤维断面尺寸在1到几十微米间，长径比在以下，通常在~间，长度在35mm以下，通常为3~5mm的各类纤维。

短纤维补强胶料一般用开炼机、密炼机、捏炼机等高剪切力橡胶加工机械进行混炼，因此象玻璃纤维、碳纤维等较脆的短纤维在加工过程中容易断裂、粉碎。短纤维混炼后的破碎程度随所用橡胶种类、配方、短纤维种类和直径而异。

聚酯纤维、维纶纤维、聚间苯二甲酰间苯二胺纤维混炼中不产生弯曲和破断，纤维分布与混炼前的短纤维相同。耐纶纤维和人造丝纤维混炼中产生弯曲和破断，玻璃纤维和碳纤维等混炼后破断成约mm的长度。此外，芳纶纤维混炼中产生原纤化和破断，有时粉碎成mm的长度。

二．短纤维增强的受力分析

短纤维增强橡胶是一种多相体系，其中橡胶为连续相，短纤维为分散相，两相间形成界面层。为了使该复合材料具有优良的性能，橡胶基质、纤维和界面层必须各自达到一定的性能要求。

纤维的作用是增强作用，赋予复合材料高强度、高模量。

橡胶的作用是基体，将个体的纤维按一定取向牢固地粘结成整体，将应力传递并分配到各个纤维上，保护纤维不受环境侵蚀和磨损，复合材料的最高使用温度往往取决于橡胶。

界面层是决定复合材料性能的重要因素，界面区起到传递应力、承受由于热收缩系数不同而产生的应力作用。若界面不牢，则它就变成了复合材料的薄弱环节，所以许多短纤维需要进行与长纤维类似的预处理，以增强界面结合。

在短纤维—橡胶复合材料中，当受到一个拉力作用时，橡胶将通过界面把应力传递到纤维上，沿纤维轴应力的分布不均匀。张应力在纤维末端较中间要小，中间最大。若纤维有足够的长度，即L/D等于或大于临界比值(L/D)c时，其中间张应力与长纤维受到的张应力相同，而在纤维的端部，纤维与橡胶的界面处剪切应力达到最大值，如图3-26。

图3-26短纤维复合材料中张应力和剪切应力的分布

复合体中短纤维有个最低用量问题，只有达到该用量才有明显增强作用。对于塑料至少要加10%，主要是为了减少纤维末端的应力集中。一般短纤维补强复合材料的抗张强度仅为连续纤维复合材料的55%~86%，其模量为长纤维的90%~95%。

三．短纤维应用于橡胶中的某些实际问题

短纤维在橡胶中应用有几个问题需要十分注意，这就是分散、粘合、取向三个问题。

（一）短纤维的表面处理

短纤维橡胶复合体的纤维与橡胶的粘合性和相互作用对复合材料性能有很大影响。短纤维的表面一般呈惰性，与橡胶的粘合性差，为改善纤维与橡胶的粘合性和分散性，可考虑以下方法：

（1）短纤维表面进行处理；

（2）橡胶本身进行改性；

（3）添加相容剂（分散剂）；

（4）对橡胶进行纤维接枝等。

实际加工中主要采用上述（1）、（3）的处理方法。在短纤维与橡胶复合中，采用纤维的表面处理剂或添加结合剂的方法可改善纤维与橡胶的粘合性。

（二）短纤维在橡胶中的取向

纤维的取向有三个方向，即与压延方向一致的轴向（L）、与L处于同一平面并垂直于压延方向（T）和垂直L-T平面的方向（Y），见图3-28。

图3-28短纤维取向示意图

1．影响取向的因素影响取向的最重要因素是复合材料制造成品工艺过程中最后工序流道的尺寸、形状、温度、压力和速度等工艺条件。

混炼工艺对取向有影响，混炼过程中如果能注意取向方向，对制取高度取向材料有利。

四．短纤维在橡胶制品中的应用

短纤维已成功地应用于胶管、三角带中，在轮胎、密封制品等各领域也在试用，起到了简化工艺、降低成本、提高经济效益的作用。

1．胶管中应用主要用于制造耐中低压胶管，例如农田和园艺灌溉胶管、汽车中低压油管、一般水管等。特别是短纤维复合材料在不同的口型压出后便可以有不同取向。周向取向提高耐压能力，径向取向提高胶管的挺性，可在无芯棒条件下连续生产胶管。用这一技术还可以制造汽车用异型管，提高了生产效率。

2．胶带中应用在三角带中压缩层中使用5-20份短纤维可明显提高三角带的横向刚度，具有较好的纵向挠性、较抵的弯曲模量，提高侧向摩擦力，提高传动效率，不易打滑。在表面层中使用可以增大胶带与槽轮的摩擦力，降低噪声，护胶带磨损。伸张层中使用可有效地提高横向刚度。

3．轮胎中应用短纤维提高耐磨耗、耐刺穿、耐撕裂性的特点在工程胎胎面胶方面很有意义。在胎面胶中掺2.5份就明显地表现出其优越性，在胎体中、三角胶条中、胎圈包布胶中应用都有一定的好处。

4．短纤维补强技术在其它橡胶制品中的应用

对纤维素短纤维补强热塑性聚异戊二烯橡胶做鞋底材料及补强EPDM做汽车的一些部件，人们都作过研究。高度各向异性的短纤维橡胶复合材料能够在不降低弹性的情况下极好地限制溶胀，因此，短纤维橡胶复合材料耐油制品显示出优异的使用性能。也有人用碳纤维作补强剂制作高定伸应力的氟橡胶密封件。用短纤维补强的橡胶筛网具有缓冲性好、不易变形、耐磨和不堵塞的优点。短纤维橡胶复合材料还被用来制作中空圆形船坞和护舷。此外，短纤维橡胶复合材料也被应用于胶鞋、汽车仪表盘、矿工帽、板片等橡胶制品中。

五．短纤维橡胶复合材料的进展

短纤维复合材料的发展与高性能纤维的发展息息相关，增强材料是复合材料发展的先导。美国欧文思-科宁公司年宣布推出一种被命名为ADVANTEX（TM）的新型玻璃纤维，据称其既具有E-玻璃纤维的极佳电绝缘性能及较高的机械强度，又具有E-CR玻璃纤维的优良耐热性和耐腐蚀性能。俄罗斯生产的新一代芳纶类高性能有机纤维-APMOC纤维，其强度和模量比Kevlar49高出38%和20%。此外，空心碳纤维使聚合物基复合材料具有更好的冲击韧性，螺旋形碳纤维伸开后可比原长度长许多倍而不损失弹性。新发展起来的碳纳米管是极细微的碳结构，其强度比钢高倍，但重量只有钢的1/6。据专家预测，碳纳米管可能成为未来理想的超级纤维。

另外，早在70年代，Getson及Adama等就报道了在自由基引发剂作用下，在有机硅氧烷上原位接枝纤维状有机聚合物。Keller报道了在硅橡胶中原位生成聚丙烯纤维的技术。80年代，山本新治、谷渊照夫等提出在天然橡胶中原位生成超细尼龙短纤维的技术。用这种技术生成的短纤维母炼胶的加工性能非常优异，在许多橡胶制品都可以使用。使用原位增强技术，可以克服传统短纤维橡胶复合材料加工过程中短纤维难分散、易断裂及纤维与橡胶粘合不好等问题，而且原位增强纤维的特性还使材料具有优异的物理性能。因此，原位增强技术是复合材料的一个发展方向。

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