疲勞溫度對橡膠與鋼絲簾線動態(tài)粘合性能的影響*

鄭愛隔，馬明強，李 琦，史新妍

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點實驗室/山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東 青島 266042)

輪胎在行駛過程中承受周期性載荷的作用，會導(dǎo)致其物理機械性能下降，嚴(yán)重時輪胎會失效甚至爆炸。Mars W V等[1]分析了影響橡膠復(fù)合材料機械疲勞壽命的4個主要因素：所受機械載荷的歷史、環(huán)境影響、橡膠復(fù)合材料種類的影響、橡膠本構(gòu)響應(yīng)其耗散方面的影響。其中所受機械載荷瞬息萬變，難以準(zhǔn)確測量，國內(nèi)外研究[2-7]多集中于對鋼絲簾線/橡膠施加單一載荷，且測試方法不統(tǒng)一，沒有嚴(yán)格的參考標(biāo)準(zhǔn)。

本研究采用課題組自行研發(fā)的測試方法，用以模擬胎體中鋼絲簾線與橡膠在輪胎行駛過程中的真實受力狀況，通過對鋼絲簾線/硫化橡膠復(fù)合材料試樣施加一定形變的疲勞載荷，考察疲勞溫度對鋼絲簾線/硫化橡膠粘合性能的影響，為預(yù)測輪胎壽命和設(shè)計安全性能高、耐久性能好的輪胎提供科學(xué)依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 原料

天然橡膠(NR)：牌號SCR5，海南天然橡膠集團產(chǎn)品；炭黑N326：卡博特公司產(chǎn)品；白炭黑Zeosil 175GR：羅地亞白炭黑有限公司產(chǎn)品；癸酸鈷：美國Shepherd公司產(chǎn)品；鋼絲簾線：規(guī)格3+9+15×0.22+0.15，鋼絲簾線鍍層組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：(63.5±1.0)%Cu,(36.5±1.0)%Zn，比利時Bekaert公司產(chǎn)品。

1.2 實驗配方

實驗配方(質(zhì)量份)為：NR 100，塑解劑B 0.3，N326 55，白炭黑 10，氧化鋅 8.0，硬脂酸 1.0，防老劑RD 1.5，促進劑CZ 1.2，硫磺 5.0，粘合劑HMMM 5.0，癸酸鈷0.8。

1.3 儀器設(shè)備

雙輥筒開煉機：SK-160B，上海輕工機械研究所；橡塑實驗密煉機：XSM-500，上海科創(chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司；萬能電子拉力機：Z020，德國Zwick公司；體視顯微鏡：SMZ1500，日本尼康公司；橡膠曲撓疲勞試驗機：MZ-4003C，江蘇明珠試驗機械有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM-7500F，日本JEOL公司。

1.4 試樣制備

采用密煉機，轉(zhuǎn)速55 r/min，初始溫度60 ℃，首先加入NR及塑解劑B混煉2 min，待轉(zhuǎn)矩曲線呈水平時，將稱好的小料加入到密煉機中，約3 min后，加入炭黑及白炭黑，待轉(zhuǎn)矩曲線水平時，排膠得到母煉膠；在開煉機上繼續(xù)混煉，加入促進劑、硫磺、粘合劑HMMM，左右切割翻煉4次，薄通5次，下片，停放，得到終煉膠。之后采用平板硫化機硫化，硫化條件為151 ℃/10 MPa×tc90。

1.5 分析測試

1.5.1 動態(tài)疲勞測試

通過專用模具在平板硫化機上將8根鋼絲簾線埋入混煉膠條中硫化后，將膠條裁成尺寸為12.0 mm×12.0 mm×195 mm的試樣(如圖1所示)，按圖2所示進行拉伸曲撓疲勞測試，拉伸形變4 mm，往復(fù)行程為66 mm，疲勞頻率為5 Hz，動態(tài)疲勞次數(shù)與疲勞溫度為變量，疲勞之后停放32 h測試粘合強度。動態(tài)疲勞后，將兩膠條中間的鋼絲沿中間裁斷，按照ASTMD2229在Zwick拉力機上，利用T-抽出法測試硫化橡膠與鋼絲簾線的粘合力，上夾持器移動速度為50 mm/min。

圖1 硫化橡膠/鋼絲簾線疲勞試樣

圖2 拉伸曲撓疲勞測試

1.5.2 抽出鋼絲附膠形貌觀察

利用體視顯微鏡放大10倍觀察抽出鋼絲表面附膠量及形貌特性。

1.5.3 粘合界面SEM觀察

將抽出鋼絲簾線上的附膠沿鋼絲表面撕下，噴金后放在JSM-7500F型電子顯微鏡下觀察界面形貌，并利用附帶的X-射線能譜儀(EDS)進行元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞溫度對鋼絲簾線抽出力的影響

采用如圖2所示的疲勞測試，疲勞次數(shù)為20萬次，考察不同疲勞溫度下鋼絲簾線抽出力的變化，結(jié)果如圖3所示。

溫度/℃圖3 疲勞溫度對橡膠與鋼絲簾線抽出力的影響

從圖3可以看出，隨疲勞溫度的升高，鋼絲簾線抽出力先升高后下降，在60 ℃達到最高值。經(jīng)擬合得出：抽出力F與疲勞溫度T有如下的相關(guān)性：

F=1 006+3.816 43T-0.033 39T2(相關(guān)系數(shù)0.995 8)

在0 ℃下橡膠剛性較大，疲勞過程中鏈段運動困難，容易對橡膠相和界面處造成撕扯而粘合下降。隨著溫度的升高，橡膠處于高彈態(tài)，一方面能夠很好地響應(yīng)疲勞外力的作用，另一方面，疲勞過程中的生熱會造成膠料的后硫化，都能提升粘合力；但隨著溫度的繼續(xù)升高，由于大分子鏈段運動和柔順性的增加，一方面使簾線與橡膠的物理吸附作用減弱，另一方面橡膠經(jīng)一定時間的熱老化后，熱交聯(lián)使橡膠變硬、變脆，抵抗形變的能力減弱[8-9]，傳遞外力和抵抗變形的能力顯著下降，粘合力就會下降。

2.2 疲勞溫度對抽出鋼絲簾線附膠的影響

由圖4可以看出，從0 ℃到80 ℃，附膠形貌相似，均成螺紋狀，且螺紋方向與外纏繞鋼絲方向并不總是相一致；附膠越多，抽出力越大；裸露鋼絲多集中在外纏繞簾線與內(nèi)部簾線的接觸點，這與膠料較難浸潤和滲透到該處有關(guān)。

(a) 0 ℃/1 008 N

(b) 20 ℃/1 065 N

(c) 40 ℃/1 105 N

(d) 60 ℃/1 119 N

(e) 80 ℃/1 096 N圖4 不同疲勞溫度下的抽出鋼絲簾線附膠形貌

2.3 疲勞溫度對界面處橡膠微觀形貌的影響

圖5是鋼絲簾線與橡膠界面處的橡膠斷面形貌。

(a) 0 ℃

(b) 20 ℃

(c) 60 ℃

(d) 80 ℃圖5 SEM觀察不同疲勞溫度下界面處橡膠的微觀形貌

從圖5可以看出，隨著溫度的升高，橡膠斷面變得越粗糙，并出現(xiàn)了一些顆粒與凹坑，溫度越高，顆粒越大。選取其中顆粒進行高倍觀察，從圖6(a)可以看出顆粒是由平均粒徑約為30 nm的基本粒子聚集而成。同時采用SEM附帶的EDS對顆粒元素成分進行了分析。從圖6(b)可以得出，斷面上的這些顆粒是以炭黑為主的填料聚集體。

(a) 界面處橡膠斷面上顆粒形貌

滿量程352cts光標(biāo)：10.110(0 cts)(b) EDS譜圖圖6 SEM觀察界面處橡膠斷面上顆粒形貌以及EDS譜圖

分析認(rèn)為：在動態(tài)周期力的作用下，鋼絲簾線與橡膠有相對運動，由于鋼絲簾線的高模量，致使靠近鋼絲的橡膠相受到較大的內(nèi)應(yīng)力，使原分布在橡膠相中的填料粒子或未分散好的填料聚集體運動范圍變大，與相鄰粒子的接觸機會變多，因此不斷聚集起來。疲勞溫度越高，膠料越柔軟，填料粒子活動越劇烈，聚集的顆粒就越大，最終成為應(yīng)力集中點，進而成為粘合失效的誘因。

3 結(jié) 論

(1) 隨疲勞溫度的升高，橡膠與鋼絲簾線的抽出力先增大后降低，在60 ℃出現(xiàn)最大值，抽出力F與疲勞溫度T有以下相關(guān)性：F=1 006+3.816 43T-0.033 39T2。

(2) 抽出鋼絲簾線附膠呈螺紋狀，且螺紋方向與外纏繞鋼絲方向并不總是相一致；附膠越多，抽出力越大。

(3) 隨疲勞溫度的升高，橡膠與鋼絲簾線界面處的橡膠斷面上出現(xiàn)了越來越大的填料聚集體顆粒，這會成為粘合失效的誘因。

參 考 文 獻：

[1]MarsWV,FatemiA.Factorsthataffectthefatiguelifeofrubber：Aliteraturesurvey[J].RubberChemistryandTechnology,2004,77(3)：391-412.

[2]JanssenRPM,GovaertLE,MeijerHEH.Ananalyticalmethodtopredictfatiguelifeofthermoplasticsinuniaxialloading：sensitivitytowavetype,frequency,andstressamplitude[J].Macromolecules,2008,41(7)：2531-2540.

[3]BeattyJR.Fatigueofrubber[J].RubberChemistryandTechnology,1964,37(5)：1341-1364.

[4]DarwishNA,NagyTT,SamayG,etal.Staticanddynamicevaluationofadhesionofrubbertotextilecord[J].KautschukundGummi,Kunststoffe,1994,47(1)：32-38.

[5]ChandraAK,MukhopadhyayR.Studiesofdynamicadhesionbetweensteelcordandrubberusinganewtestingmethod[J].PolymerTesting,1996,15(1)：13-34.

[6]JanssenRPM,GovaertLE,MeijerHEH.Ananalyticalmethodtopredictfatiguelifeofthermoplasticsinuniaxialloading：sensitivitytowavetype,frequency,andstressamplitude[J].Macromolecules,2008,41(7)：2531-2540.

[7] 洪錦，王淑麗，艾丹陽，等.橡膠與鍍黃銅鋼絲簾線直接粘合系統(tǒng)的評述[J].彈性體，1997，7(1)：50-54.

[8] 嚴(yán)志云,石虹橋,劉安華,等.芳綸簾線表面處理及環(huán)境溫度對芳綸簾線/橡膠界面破壞的影響[J].橡膠工業(yè),2009,56(11)：693-696.

[9] 嚴(yán)志云，石虹橋，劉安華，等.熱空氣老化對芳綸/橡膠復(fù)合體系粘合性的影響研究[J].彈性體，2008，18(6)：1-4.

Abstract： The effects of dynamic fatigue temperature on the adhesion of rubber to steel cord in a carcass recipe were examined.A new testing method with special rubber/steel cord specimens was developed.It was found that the dynamic "pull-out forces" first increased and then decreased with increasing temperature.The covered rubber on the "pulled-out" cord after fatigue appeared to form a screw thread and the greater pull-out force corresponded to clearer screw threads.SEM indicated that un-dispersed filler agglomerates may initiate adhesion failure.

Keywords： rubber/steel cord；dynamic fatigue；adhesion