废橡胶轮胎/环氧树脂复合材料的物理和摩擦机械性能外文翻译资料

 2022-08-08 14:37:50

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废橡胶轮胎/环氧树脂复合材料的物理和摩擦机械性能

B. Shivamurthy1*， Deepak Doreswamy1， Joseph Nishanth1 and Shiva Prasad H C2

shiva.b@manipal.edu ; deepak.d@manipal.edu ; josephnishanthj@gmail.com; hcs.prasad@manipal.edu

1印度Manipal高等教育学院Manipal理工学院机械与制造工程系，Manipal-576104，印度卡纳塔克邦。

2 Manipal高等教育学院Manipal理工学院人文与管理系，Manipal-576104，印度卡纳塔克邦。

通讯作者: shiva.b@manipal.ed

摘要

将采用开模塑法制备的15、30和45 wt %的再生轮胎胶(WTR)(粒径分别为100 mu;m、200 mu;m和300 mu;m)作为填充剂，在环氧基体中高温后固化，制备了废轮胎胶/环氧复合材料。本实验研究了复合材料的物理、力学和滑动磨损性能。由于在环氧树脂中加入WRT填料，故增强了复合材料的滑动磨损性能，降低了复合材料的模量。研究表明，WRT的数量和颗粒的大小都会影响其磨损率。15wt %的WRT填料增强了环氧复合材料的抗拉强度，进一步添加WRT填料使抗拉强度降低。在研究了WRT/环氧复合材料的结构性能相关性后，发现其力学性能与比磨损率没有相关性。还对拉伸断裂和磨损表面进行了形态学研究。研究表明，回收环氧树脂颗粒可作为环氧复合材料的填充剂，在地板、防腐涂层、电气绝缘等方面具有潜在的应用价值。

关键词：废轮胎橡胶、环氧树脂、抗拉强度、抗弯强度、硬度、比磨损率、形态。

1 介绍

橡胶的生产和消费在世界范围内不断增长。橡胶需求每年以3.9%的速度增长，预计在2019年将达到3170万吨(弗里多尼亚集团，2019年)。图1显示了各种用途的橡胶消耗量。这表明，很大一部分(68%)的橡胶被用于汽车轮胎(图1)。因此，橡胶需求的增加主要是由于汽车轮胎产量的大量增加。这些轮胎在汽车最终使用后被大量丢弃，要么堆积到垃圾填埋场，要么被储存起来(Maroufi等人，2017)。因此，要实现可持续发展模式(社会、生态、环境)，橡胶轮胎的回收和再利用是一个关键的解决方案。在这个方向上，许多国家已经开始将再生橡胶用于各种用途。仅在美国，每年就产生390万吨废轮胎，其中约136万吨回收利用，其余254万吨通过焚烧和填埋处理(www.freedoniagroup.com)。然而，由于其交联结构和稳定剂和添加剂的存在，废轮胎橡胶不容易分解(Wu和Zhou，2009)。因此，最近发达国家已经禁止垃圾橡胶填埋(Yilmaz和degirmenci2009)。

图1 乳化液丁苯橡胶的应用

综上所述，大量橡胶的浪费和造成的环境污染是两个最主要的问题。因此，橡胶的回收利用和价值的增加对它的各种利用是一个社会上重要的研究领域。通过避免焚烧、填埋废弃橡胶来保持环境的清洁，并获得橡胶生产的可持续性是一个重要的研究领域。橡胶回收过程包括去除废轮胎中的钢材和绒毛。此外，橡胶颗粒生产要使用造粒机和破碎机。造粒机产生的颗粒通过一组筛子分离，可获得直径小于2.0 mm的细颗粒。由废轮胎生产的再生橡胶称为橡胶屑，再生橡胶颗粒的过程及其应用见图2

图2 WTR回收及应用

研究人员发现，WTR颗粒可以作为水泥混凝土的填料(Topcu和Demir， 2007)。据报道在不同的研究中， WTR的含量会影响混凝土的物理和结构性质如密度、抗压强度、抗弯强度和模量(Al-Akhras Smadi， 2004年，伊斯拉米等2015年，2008年品牌等，2004年塞格雷et al，佩德罗等人2012年，Herrera-Sosa等2015)。根据文献资料可知，适量的掺入WTR可提高混凝土的抗压强度、抗弯强度，降低混凝土的密度和模量。此外，Waris et al.(2016)研究了WTR颗粒在部分替代混凝土时尺寸和含量(0.8 mm ~ 4mm)的影响。研究结果表明，WTR填料的粒径和用量对混凝土的强度和和可加工性有一定的影响。这是由于与常规混凝土相比，橡胶混凝土的结构完整性发生了变化，Rashad(2016)对再生橡胶-水泥材料的研究进行了全面的综述。他们指出，不同研究人员(al - akhras和Smadi，(2004)和Eslami等人(2015))使用的WTR的平均粒径从0.15- 4 mm不等，发现低含量是有益的，还报告说，由于添加了橡胶，可加工性降低了。Al-Nasra和Torbica，(2013)从节能的角度研究了WTR钢筋混凝土。他们报告说，混凝土的导热系数随着WTR的增加而成比例降低，从而降低了能耗和保温成本。

另一方面，WTR微粒也可作为聚合物的填料。Zhang等(2009)研究了采用不同增容剂的50目WTR和沥青填充聚丙烯(PP)复合材料。他们报道了WTR/PP/沥青复合材料的结构和性能优于WTR/PP复合材料。在聚合物基水热液填充复合材料中，由于水热液的交联结构，水热液与聚合物之间的粘接性较弱。在这方面，为了改善基体和填料的界面，研究人员尝试了各种途径，部分或全部脱硫，并通过热机械和热化学方法处理WTR (Zhanget al.， 2009)。Tej Singh等人2019年使用(2.5、5、7.5和10 Wt.%)的WTR颗粒作为非石棉有机刹车材料的功能添加剂。他们报道了WTR的含量对WTR基有机制动器的摩擦学性能有很大的影响。他们还开发了四种摩擦复合材料，分别为WTR (0， 4， 8， 12 Wt.%)和硫酸钡(38，42，46，50 Wt.%)，并研究了动态力学性能(Rathi et .2018)。结果表明，高废橡胶含量提高了摩擦复合材料的储能模量、损耗模量和阻尼系数。Yeon Ha Chang等(2017)制备了约75 mu;m和450 mu;m的WTR颗粒摩擦材料。他们分析了颗粒大小对摩擦性能的影响，并得出接触刚度、摩擦力和摩擦不稳定性取决于使用的橡胶颗粒大小的结论。

从文献综述来看，大多数的研究报道都是探讨大尺寸水热复合材料/混凝土和水热复合材料/热塑性聚合物复合材料的物理和结构性能。目前国内外对微细颗粒橡胶增强环氧基聚合物复合材料的研究较少。在此背景下，作者试图使用100 - 300 mu;m粒径范围的WTR颗粒作为商用级环氧树脂的增强剂，并尝试探索必要的物理和机械性能、滑动磨损行为及其相关性。

2材料和方法

2.1.1材料

液态未改性环氧树脂lapoxy - L12(中等粘度:9000-12000 MPa)。基体材料为从班加罗尔当地供应商获得的低粘度硬化剂k6。WTR胶粉的尺寸从50 mu;m到4毫米，采购自印度安得拉邦的Sri Venkata Srinivasa工业。供应商接收到的三种不同尺寸的WTR颗粒如图3所示。除提供的WTR外，平均粒径在100mu;m、200 mu;m和300 mu;m范围内的分别用标准筛网分离，丙酮清洗并在100℃下干燥1小时，除去水分和残留溶剂后作为填料使用。

2.1.2 方法

复合材料制备

平均粒径为100 mu;m、200 mu;m和300 mu;m的树脂和水胶的混合物在不同的重量分数(15%，30%和45%)下，使用磁性搅拌器通过搅拌30分钟，每分钟1500转。在预混合环氧树脂中以10:1的比例加入硬化剂和橡胶，并继续搅拌5分钟。将混合物小心地倒入开模的型腔中，以获得物理的，机械的和符合ASTM标准的磨损试样。模子里的样品在室温下固化约24小时。此外，将固化后的样品保存在高精度的120°C的烘箱中4小时。同样，制备整洁的环氧树脂试样。图3显示了制作过程的示意图和样品的数码照片。样品名称和材料组合细节见表1。

表1 橡胶填充环氧复合材料的材料组合和物理性能

图3制作过程示意图和样品数码照片

测试与表征

根据ASTM D 792-13（Kim等，2006; Radeshkumar和Karger-Kocsis，2002）的标准，研究了纯环氧树脂和WTR /环氧树脂样品的物理性质，例如理论密度，实际密度和空隙含量。根据ASTM D 638（ASTM，2008）研究了机械性能，如拉伸强度，断裂伸长率和弹性模量。根据ASTM D 790-10（ASTM，2010）研究了弯曲强度和挠度。为了研究拉伸和弯曲的行为，使用3300万能试验机。净环氧树脂和WTR /环氧树脂复合材料的显微硬度是使用Matsuzawa显微硬度测试仪（日本MMT-X7A）通过在金刚石压头上施加1千克的载荷约10秒来测量的。根据ASTM: G99-12 (ASTM， 2012)，使用销盘机(制造商，Ducom，印度)对纯环氧和WTR/环氧复合材料样品进行滑动磨损试验。磨损试验的参数采用滑动速度1.5 m s-1，正常施加载荷60 N，滑动距离1000 m。将滑动磨损试验样品(直径:6 mm，长度:30 mm)安装到圆盘机上的销上，进行磨损试验。磨损量(w)通过初始重量的差值来测量(w1)，试验样品的最终重量(w2)和比磨损率(Ks)用方程1。式中，??为滑动面所施加的法向荷载，d为滑动距离。

图4计算机接口销盘试验台

3.结果与讨论

3.1物理性质

通过水置换法测定了WRT/环氧复合材料的实际密度(rho;a)方法。理论密度(rho;t)根据混合物规则按下列公式2计算。 复合材料的空隙含量由理论密度(rho;t)值估计并且实际密度(rho;a)计算使用公式3。

式中，wR为环氧基体含量，wR为橡胶颗粒含量。rho;R和rho;R分别为环氧基体密度和WTR粒子密度。纯环氧和WTR/环氧复合材料的理论，实际密度、空隙率见表1。结果表明，计算所得样品的孔隙率最大为7.23%并且总体上从2.5%到7.23%不等。WTR /环氧复合材料的空穴含量随水浸率的增加而增加。更高的空隙可能是由于WTR颗粒在环氧基体中含量增加而团聚[Tej Singh et al 2018]。图5(a)、5(b)和5(c)分别为平均粒径为100 mu;m、200 mu;m和300 mu;m的WTR颗粒的SEM图像。

图5(a) 100 mu;m WTR颗粒的SEM图像

图5(b) 200 mu;m WTR颗粒的SEM图像

图5(c) 300 mu;m WTR颗粒的SEM图像

3.2机械性能

显微硬度

所有复合材料的硬度结果都是用金刚石压头的显微硬度计在载荷为1公斤，停留时间为10秒的情况下测量的。从多个位置的每个样本中获取十个读数，并记录平均值。图6为纯环氧复合材料和WTR/环氧复合材料的显微硬度值柱状图。这是因为WTR颗粒比交联环氧基体更软，这些颗粒在WTR/环氧复合材料中有助于降低体积硬度。此外，WTR/环氧复合材料的硬度值取决于颗粒的大小。与200 mu;m和300 mu;m粒径的15和30 Wt.%掺量的环氧树脂复合材料相比，100 mu;m掺量环氧树脂复合材料的硬度较低。这是由于细小的橡胶颗粒均匀分散在环氧树脂基体中，使复合材料具有柔软性。当粗粒径为200 mu;m和300 mu;m (15 Wt.%和30 Wt.%)的环氧复合材料中WTR粒子被交联环氧粒子包围，限制了橡胶在压痕时的轴向变形。由于这一机制在微观层面上的作用，细粒环氧树脂增强复合材料在冲击载荷下的能量吸收性能优于芯粒环氧树脂增强复合材料。而在复合材料中，当WTR浓度为45 Wt. % (200 mu;m)时，S-200-45 mu;m的硬度最低。这可能是由于团聚以及复合材料中环氧树脂和WTR颗粒之间的界面较弱造成的。

粒子浓度

图6纯环氧和WTR/环氧复合材料的显微维氏硬度

拉伸行为

对WRT/环氧复合材料和纯环氧复合材料试件进行拉伸载荷实验;绘制了每种复合材料的拉伸载荷-伸长图，如图7所示。杨氏模量是通过使用荷载-延伸曲线的线性部分来计算的。杨氏模量、断裂抗拉强度和断裂伸长率的值见表2。由于WRT颗粒是弹性体，与环氧树脂相比，其断裂前伸长率更高，杨氏模量更低(Qi et al.， 2006)。因此，由于WRT的加入，WRT/环氧复合材料的杨氏模量降低。含量和尺寸都对杨氏模量的衰减有影响。随着WRT含量的增加，复合材料的杨氏模量的减小近似呈线性趋势。而WRT粒径和含量的协同效应均影响了WRT/环氧复合材料的杨氏模量的衰减值。

位移（mm）

图7(a)纯环氧和100 mu;m WRT/环氧复合材料的拉伸载荷-伸长率行为

位移（mm）

图7(b)纯环氧和200 mu;m WRT/环氧复合材料的拉伸载荷-伸长率行为

位移（mm）

图7(c)纯环氧和300 mu;m WRT/环氧复合材料的拉伸载荷-伸长率行为

此外，如图8（c）所示，计算出WTR /环氧树脂复合材料断裂所需的能量并相对于WTR的含量作图。由此可见，与其他WRT /环氧树脂和纯环氧复合材料相比，填充15 Wt。％100、200和300mu;m的WRT /环氧树脂复合材料断裂所需的能量更高。结果表明:S-200-15复合材料的断裂所需能量约为纯环氧复合材料的3.2倍。此外，在100、200和300 mu;m三种粒径的颗粒中，相比于其他载荷比例(30和45 Wt.%)，15 Wt.%的WRT/环氧复合材料表现出更高的断裂能(图8(c))。此外，从图8(a)和图8(b)中可以看出，15 wt % WRT载荷的复合材料的抗拉强度均高于其他类型的WRT/环氧复合材料，且这些复合材料的杨氏模量也优于其他类型的WRT/环氧复合材料。这表明，在环氧基体中WRT载荷超过1

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