橡膠骨架材料復合體黏合性能影響因素分析*

李 利，劉瀟冬，肖培光

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

子午線輪胎中，橡膠骨架材料復合體的性能是保證輪胎行駛安全性的關鍵因素，因此鋼絲簾線與橡膠黏合強度是子午線輪胎生產中的重要檢測項目。橡膠和鋼絲簾線之間的原始黏合強度固然重要，而在實際生活當中，輪胎在動態使用過程中此黏合強度的保持率才是真正有價值的數據，因此動態疲勞對橡膠骨架材料復合體的黏合性能的影響尤為重要。另外，老化時間和橡膠鋼絲復合體的結構因素不同，也會使黏合性能的測量產生不同的結果。筆者針對以上幾點因素進行了相應的實驗，以探究出橡膠骨架材料復合體黏合性能的影響因素，并對其進行分析研究。

1 實驗部分

1.1 原料

鋼骨架材料：D0.61 mm表面鍍青銅胎圈鋼絲和1×3×0.30HT OC高強度表面鍍黃銅(銅質量分數為63.5%)鋼絲簾線，中國貝卡爾特鋼絲簾線有限公司：BR1500、硬脂酸、NR、氧化鋅、HAF炭黑、促進劑、硫黃、防老劑等均為市售產品。

1.2 儀器設備

TS2005b萬能試驗機：優肯科技股份有限公司；GT-7806-1電腦伺服膠帶疲勞拉力試驗機：高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；X(S)M-1.7L實驗用密煉機：青島科技大學自行研制；X(S)K-160開煉機：上海橡膠機械廠；QLB-D400×400×2平板硫化機：上海第一橡膠機械廠。

1.3 實驗配方

實驗中橡膠材料使用了表1所示的基本配方[1]，該配方為添加了有機酸鈷鹽的順丁橡膠(BR)/天然橡膠(NR)并用膠體系。

表1 橡膠配方

1.4 實驗方案

本實驗采用靜態和動態2種實驗來評價鋼絲簾線與橡膠的黏合性能，其中動態測量方法為軸向動態實驗方法[2]，該方法是利用動態測量系統對橡膠/鋼絲復合體進行軸向循環加載，并用拉力試驗機對受載后復合體試樣進行抽出，測出抽出力及覆膠量，從而獲得橡膠與鋼絲簾線的黏合強度[3]。

在靜態拉力試驗機上進行靜態測試，調整拉力試驗機夾持器的移動速度為50～150 mm/min的恒定速度進行實驗。記錄簾線從橡膠中抽出所需的最大力和鋼絲簾線殘留的覆膠量，具體實驗研究包括實驗一：研究動態疲勞加載對橡膠骨架材料復合體試樣黏合性能的影響；實驗二：研究老化后的復合體試樣與未老化復合體試樣的疲勞壽命；實驗三：研究鋼絲與橡膠黏合的長短是否影響靜態抽出力。所需研究的條件及其參數如表2所示。

表2 動態測量實驗的相關實驗參數及條件

2 結果與討論

2.1 橡膠/鋼絲黏合性能的靜、動態測量對比分析

將橡膠鋼絲復合體試樣放在拉力試驗機上，設置拉力試驗機的抽出速度為100 mm/min，直接進行抽出并剝離，并對所得的靜態測試數據分析計算，得到拉力試驗機靜態測量黏合強度，結果如表3所示。

表3 靜態測量黏合強度分析結果

動態測量實驗的評價標準是鋼絲簾線與橡膠復合體受到疲勞應力的往復周數[4]。對橡膠/鋼絲復合體試樣通過動態軸向疲勞試驗機進行動態疲勞測試，得出在動態徑向變載荷應力下橡膠鋼絲復合體的動態測試結果如表4所示。

表4 動態應力下橡膠鋼絲復合體的測試結果

將動態徑向加載450次后的試樣拿到拉力試驗機上進行靜態抽出，設置拉力試驗機的抽出速度為500 mm/min，測得數據如表5所示。

表5 動態加載后試樣做靜態抽出黏合力的測試報告

通過對比分析靜態測量結果(見表3)和動態測量結果(見表5)，以及對橡膠/鋼絲復合體試樣分別在靜動態測量系統作用下的黏合性能進行比較，得到圖1。

(c) 覆膠量對比分析圖圖1 靜態測量與動態測量數據對比分析圖

從圖1可以看出，靜態測量得出的最大抽出力明顯大于動態測量得出的最大抽出力，表明動態測量系統能使復合體試樣產生疲勞；靜態測量得出的黏合強度也明顯大于動態測量得出的黏合強度，這說明了利用動態測量系統循環不斷地對橡膠鋼絲復合體試樣進行軸向加載，產生的動態疲勞使鋼絲和橡膠的黏合性能明顯減弱。

2.2 老化后的橡膠/鋼絲復合體動態測量對比分析

對橡膠鋼絲復合體進行熱空氣老化(老化溫度90 ℃)，將不同老化時間下的橡膠鋼絲復合體試樣，按照50次、150次、250次、350次、450次進行循環變載荷軸向加載，得出在動態徑向變載荷應力作用下不同老化時間橡膠鋼絲復合體的測試結果，如圖2所示。

(a) 動態力峰值平均值對比圖

(b) 動態力谷值平均值對比圖

(c) 動態加載幅值對比圖圖2 不同老化時間試樣的動態測量結果

從圖2可以看出，老化24 h的試樣和老化72 h的試樣動態力峰值平均值幾乎一致，并且隨著循環加載次數的增長而緩慢增長，變化范圍并不大。說明老化24 h的試樣和老化72 h的試樣隨著循環次數的增長，動態力峰值變化并不大。

未老化的試樣和老化120 h的試樣的動態力平均峰值相對來說比較小，并且老化120 h試樣的動態力平均峰值隨著循環次數的增加反而降低，說明老化到120 h試樣已經達到了老化疲勞的效果。

另外，未老化的試樣受到的動態力平均谷值隨著循環次數的增大變化比較大，其它3種試樣變化很小。老化120 h后試樣的動態力平均谷值與其它3種試樣相反，隨著循環次數的增長而逐漸增加。

未老化試樣受到的動態加載幅度隨著循環加載次數的增加而增加，并且變化幅度不斷增加。而其它3種試樣隨著循環次數的增長變化很小，說明老化后的試樣比未老化的試樣受力更均勻。分析對比老化后的橡膠鋼絲復合體試樣和未被老化的試樣在動態測量情況下的黏合性能，可以得到表6和圖3。

表6 不同老化時間的試樣動態加載后靜態抽出黏合力的測試結果

從圖3可以看出，老化后的橡膠鋼絲復合體的黏合性能低于未老化的橡膠鋼絲復合體。并且隨著熱空氣老化的時間推移，老化時間越長，橡膠鋼絲復合體的黏合強度越低，并且抽出力呈規律性降低，拉伸強度也逐漸降低。這主要是由于在熱空氣老化條件下，橡膠的熱敏感性要比橡膠和鋼絲簾線所形成的復合體黏合層高得多[5]，因此在老化后期，橡膠本身的物理性能要比橡膠鋼絲復合體黏合層差得多，此時通常能夠觀察到復合體的最大抽出力有較大程度下降，但覆膠量卻維持在較高的水平上。

老化時間/h(a) 最大抽出力對比分析圖

老化時間/h(b)黏合強度對比分析圖圖3 不同老化時間的試樣的動態測量黏合特性

2.3 不同接觸黏合長度試樣靜態測量對比分析

為了了解鋼絲與橡膠黏合的長短對其復合體試樣的靜態抽出力是否有影響，分別對4種不同的試樣進行靜態抽出實驗[6]，試樣1、試樣2、試樣3和試樣4分別為鋼絲埋入橡膠條長度的1/4處、2/4處、3/4處和4/4處。設置拉力試驗機的抽出速度為500 mm/min，結果如圖4所示。

(a) 拉伸強度對比分析圖

(b) 最大抽出力對比分析圖圖4 不同接觸黏合長度的試樣的靜態測量

從圖4可以看出，鋼絲與橡膠的接觸黏合長度越長，靜態抽出力就越大，拉伸強度也隨之變大。這說明了不同的接觸黏合長度對橡膠鋼絲黏合強度的影響很大，尤其是從鋼絲埋入橡膠條長度的1/4處到2/4處時，靜態的最大抽出力變化最大，從2/4處到4/4處，靜態的最大抽出力呈穩定變化。這比較直觀地反映了鋼絲埋入橡膠條的長度越短，橡膠鋼絲的黏合強度下降得越快，這更能體現出鋼絲簾線在帶束層橡膠中不可替代作用。

另一方面，隨著橡膠鋼絲接觸黏合長度的變化，橡膠鋼絲復合體的拉伸強度變化并不大且呈規律性變化，由此可以看出，橡膠鋼絲的接觸黏合長度對其復合體的拉伸強度并沒有太大的影響。

3 結 論

(1) 靜態測量得出的最大抽出力明顯大于動態測量得出的最大抽出力，靜態測量得出的黏合強度也明顯大于動態測量得出的黏合強度，說明動態疲勞加載對橡膠鋼絲復合體的黏合性能影響較大。同時動態受載后的試樣壽命明顯比靜態測量要短，這也反映了動態測量更能體現出輪胎在實際行駛過程中所受到的影響。

(2) 老化后的橡膠鋼絲復合體的黏合性能低于未老化的橡膠鋼絲復合體，并且隨著熱空氣老化的時間推移，老化時間越長，橡膠鋼絲復合體的黏合強度越低，并且抽出力呈規律性降低，拉伸強度也逐漸降低。

(3) 鋼絲與橡膠的接觸黏合長度越長，靜態抽出力就越大，拉伸強度也隨之變大。這說明了隨著橡膠鋼絲的接觸黏合長度不斷變長，橡膠鋼絲黏合強度的也隨之變大。

參 考 文 獻：

[1] 唐躍，田會玲，李曉榮，等.半鋼子午線輪胎帶束層膠料配方的優化設計[J].輪胎工業，2004，24(5)：281-283.

[2] JOHN S D,HENRY A P.RPA2000橡膠加工性能分析儀的應用[J].橡膠工業，1998，45(5)：301-314.

[3] 栗波.EC法測定子午線輪胎鋼絲簾線與膠料黏合強度[J].輪胎工業，2004，24(6)：379-380.

[4] 陳新，趙燕超.輪胎用鋼絲簾線與橡膠的黏合機理[J].輪胎工業，2013，33(6):326-333.

[5] VAN OIJ W J,PRASAN B HARAKUNI,UUY BUYTAERT.Adhesion of steel tire cord to rubber[J].Rubber Chemistry and Technology,2009,82(3):315-339.

[6] 王云.橡膠/鋼絲復合體黏合強度動態測量理論及方法研究[D].青島：青島科技大學，2012.