外界條件對硫化膠磨耗性能的影響

徐 瑾，何 燕

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

橡膠磨耗在輪胎日常使用過程中是一種十分常見的現象，磨損是由于機械作用和化學反應在固體摩擦表面產生的一種材料逐漸損耗的現象[1]，橡膠的耐磨性除了其自身的強度、滯后性能、彈性模量、疲勞性能和摩擦等內外因，還受到壓力、溫度、周圍環境介質和滑動速度等的制約，熱化學、機械化學和氧化降解也使得這一問題更加復雜化。肖琰等[2]針對天然橡膠（NR）的熱氧老化現象做了一系列測試，發現在老化初期力學性能和交聯密度增大，但隨著老化的進行，降解效應占主導，硬度和交聯密度下降；呂仁國等[3]研究了滑動速度對丁腈橡膠摩擦特性的影響，發現在低滑動速度下，磨耗隨著滑動速度的提高急劇降低，高滑動速度下磨耗與滑動速度幾乎無關。韓晶杰等[4]采用旋轉滾筒式磨耗機研究不同環境介質下NR相對分子質量對橡膠磨耗性能的影響，發現干磨磨損比濕磨大得多，相同介質下橡膠的磨損隨著相對分子質量的減小而增大。

本工作研究熱氧老化和對磨角度等外界條件對硫化膠磨耗性能的影響，以期為提高橡膠材料的磨耗壽命提供理論基礎。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，牌號SCR5，海南天然橡膠產業集團產品；炭黑N375，天津天一世紀化工產品科技發展有限公司產品。

1.2 試驗配方

NR 100，納米氧化鋅 3.5，硬脂酸 1，微晶蠟 1，增塑劑ZD-1 2，防焦劑CTP 0.08，防老劑4020 2，防老劑RD 0.5，充油不溶性硫黃1.98，促進劑NS 1.3，炭黑 變品種、變量。

1.3 試樣制備

設置密煉室內溫度為60 ℃，調節轉子轉速為55 r min-1，將NR放入Haake轉矩流變儀中混煉,轉矩-時間曲線達到穩態時投入除硫黃外的配合劑，待轉矩再達到穩態后加入炭黑，排膠溫度控制在90 ℃左右；在開煉機上加入硫黃，混煉下片，冷卻待用。

1.4 性能測試

（1）采用高鐵科技股份有限公司生產的GT-7017-L型恒溫老化箱對試樣進行老化處理，并采用其T-AI-7000S型電子拉力機和阿克隆磨耗機，按相應的國家標準進行物理性能和磨耗性能測試。

（2）采用德國Innovative Imaging公司生產的MR-CDS 3500型交聯密度儀測試交聯密度。測試條件：磁場強度 0.35 T，共振頻率 15 MHz，溫度 90 ℃。

2 結果與討論

2.1 老化環境

橡膠制品的老化是一個由表及里、由量變到質變的過程，是多種內外因素綜合作用的結果。將填充30份炭黑N375的硫化膠進行熱氧老化處理，設定溫度為100 ℃。老化時間對試樣基本物理性能的影響如表1所示。

表1 老化時間對試樣基本物理性能的影響

從表1可以看出，隨著熱氧老化時間的延長，硫化膠的拉伸強度有所下降。這是由于老化后表面產生了空隙及凹凸不平的缺陷。隨著時間的延長，熱氧老化對NR主鏈催化裂解，導致拉伸強度下降。拉斷伸長率也明顯降低，呈現先快后慢的趨勢，這可能是由于老化后橡膠表面硬化，提高了抗破壞能力。試樣在老化過程中表面逐漸變得致密并失去彈性，交聯過多，橡膠表面強度增大，彈性和韌性下降，硬度不斷增大。隨著老化時間的延長，炭黑的表面基團（如醌基、羥基等）為試樣內部的交聯提供了更多的活性基團，使內部發生了以交聯為主的反應，之后降解和交聯作用并存，但以交聯為主。

老化時間對試樣交聯密度等參數的影響如表2所示。

從表2可以看出，隨著老化時間的延長，橡膠大分子鏈遭到破壞的程度加深，網鏈部分的質量分數（A1）逐漸減小，自由懸掛鏈末端和活動性強的小分子等部分的質量分數（A2）逐漸增大。隨著交聯密度的增大，橡膠分子間的交聯點增多，相鄰交聯點間的分子鏈變短，相鄰交聯點之間的質量（Mc）變小。t2為橫向弛豫時間，反映氫原子的受束縛程度，隨著老化時間延長，交聯密度增大，對分子運動性限制增強，t2縮短。普通硫黃硫化體系中含有較多的多硫鍵，這些多硫鍵伴隨著熱氧老化而發生斷裂轉變成更多的單硫鍵，因此老化后的交聯密度更高。

表2 老化時間對試樣交聯密度等參數的影響

老化時間為0，24，48和72 h時，硫化膠的阿克隆磨耗量分別為0.282，0.469，0.541和0.598 cm3。由此可見，隨著熱氧老化時間的延長，雖然硬度和交聯密度有所增大，但由于熱氧老化導致NR發生自動催化裂解，大分子主鏈斷裂。普通硫黃硫化體系最不耐熱氧老化，拉伸強度和拉斷伸長率的下降對磨耗的影響起主要作用，拉伸強度對應拉伸變形，拉斷伸長率代表試樣彈性變形能力，隨著試樣抵抗變形的能力變弱，磨耗量逐漸增大。

2.2 溫度

輪胎在行駛過程中胎肩溫度可高達100 ℃，胎冠溫度達70～80 ℃[5]。通過改進阿克隆磨耗裝置，測試幾種硫化膠在高溫下的磨耗行為。溫度對硫化膠磨耗性能的影響如表3所示。

表3 溫度對硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

從表3可以看出，在高溫和常溫下，炭黑N375填充NR硫化膠的磨耗量隨炭黑用量的增大都呈現減小的趨勢。相對常溫下的磨耗量，硫化膠在高溫下的磨耗量變大，磨耗性能變差。這是由于橡膠摩擦界面因摩擦熱產生局部高溫，在磨耗過程中伴隨有機械化學降解，削弱了橡膠分子鏈之間的結合，而外部的高溫加快了這一過程的進行。在高溫磨耗的膠輪上也發現有脫落的降解顆粒和油狀物質，這說明在高溫下主要以降解和磨粒磨耗為主。低用量炭黑硫化膠在常溫與高溫下的磨耗量相差不大，可能是因為在低用量下復合材料的拉伸強度比較大，在30份時最佳。此時雖然硫化膠的熱導率隨炭黑用量的增大而增大，但硬度對磨耗的影響比拉伸強度和熱導率大得多。

2.3 磨耗角度

在標準負荷（26.7 N）和標準磨耗里程（1.61 km）下，改變對磨磨耗角度（15°，20°，25°），選用炭黑N234填充NR硫化膠，通過調整旋轉試樣平面與砂輪平面之間的角度使試樣在砂輪上產生不同速度的相對滑動，進行磨耗性能研究。磨耗角度對硫化膠磨耗性能的影響如表4所示。

表4 磨耗角度對硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

從表4可以看出，試樣的磨耗量隨著磨耗角度的增大而成倍地增加，特別表現在低用量炭黑填充膠中。磨耗角度的變大帶來對磨接觸面的增大。隨著炭黑用量的增大，這種因磨耗角度不同而引起的磨耗量差異減小，可能是由于硬度增大所致。

2.4 磨耗里程

橡膠的磨耗是一個從無到有逐漸發展的過程。橡膠磨耗的發生有一個誘導期，磨耗程度在一定程度上與磨耗里程和磨耗時間有關，因此將硫化膠試樣磨耗試驗進行分段研究就顯得尤為重要。

在固定磨耗角度（15°）和標準負荷（26.7 N）下，將炭黑N375填充NR硫化膠的阿克隆磨耗全程平均分成7段，砂輪轉數為1 709～6 836，間隔為850轉，對整個磨耗過程進行研究。磨耗里程對硫化膠磨耗性能的影響如表5所示。

從表5可以看出，硫化膠在各階段的磨耗量幾乎一致。除了填充10份炭黑硫化膠的磨耗量呈線性增大，其他炭黑用量硫化膠在低里程（在1～2階段）下的磨耗量相對較小，這可能是因為磨耗里程增加，時間延長，造成膠料溫度持續升高，粘性耗散大大下降。

表5 磨耗里程對硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

2.5 摩擦介質

一般把輪胎的磨損過程分為3步，首先是表面間相互作用，其次是表層材料的變化，再次是表層材料的破壞。表面間的相互作用分為機械作用和分子作用兩種。其中，機械作用有兩摩擦表面直接接觸和兩接觸表面夾雜外界磨粒兩種情況。本研究采用沙子作為外界磨粒，研究3種炭黑（用量為50份）填充硫化膠直接接觸磨損與三體磨損之間的差別，結果如表6所示。

表6 摩擦介質對硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

從表6可以看出，沙子作為第三方介質在整個磨耗過程中起到了重要的作用。有沙子作為磨耗介質的磨耗量都大幅度減小。沙子填進了磨耗表面的空隙，使磨耗面變得光滑，也間接地增大了胎面膠表面的硬度，而且沙子會帶走膠料表面產生的熱量，抑制了表面溫度升高，減小了因表面高溫而帶來的材料破壞，從而使耐磨性能得到提高。同時沙子間接地減小了對磨體之間的接觸面積。

3 結論

（1）隨著熱氧老化時間的延長，硫化膠的磨耗量逐漸增大，拉伸強度和拉斷伸長率都有所下降，硬度增大，交聯密度先增大后減小。

（2）相對常溫下的磨耗量，硫化膠在高溫下的磨耗量變大，磨耗性能變差。

（3）試樣的磨耗量隨對磨角度的增大而成倍提高，特別表現在低用量炭黑填充膠中。

（4）在不同炭黑用量下，硫化膠在各階段的磨耗量幾乎一致。除了填充10份炭黑的硫化膠磨耗量呈線性增大外，其他炭黑用量填充的硫化膠在低里程下的磨耗量較小。

（5）沙子作為第三方介質在整個磨耗過程中起重要作用，有沙子作為磨耗介質的磨耗量都大幅減小。