試樣因素對橡膠-鋼絲簾線粘合性能測試的影響

李 利，劉瀟冬，王 瑞

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

目前，國內對橡膠與鋼絲簾線粘合強度的測試主要有歐洲共同體試驗標準方法（EC法）和美國材料試驗學會標準方法（ASTM法）[1]兩種方法。這兩種方法均為靜態抽出法[2]，測試從橡膠基體中抽出每根鋼絲簾線所需要的力，并觀察鋼絲簾線表面的附膠量，用抽出力和附膠量來表征粘合水平[3]。但是，在測試時試樣夾持方法和鋼絲簾線埋入橡膠基體的長度會對抽出力的測試結果有較大影響。

本工作通過對比試驗，研究試樣因素對橡膠-鋼絲簾線粘合性能測定結果的影響，為橡膠-鋼絲簾線粘合強度的靜、動態測量[4-5]提供保證。

1 實驗

1.1 主要原材料

1×3×0.30HT OC高強度表面鍍黃銅（銅質量分數為0.635）鋼絲簾線，山東恒宇科技有限公司產品。

1.2 膠料配方

天然橡膠（NR） 100，炭黑N330 50，白炭黑 8，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑4010NA 2.5，防老劑RD 1，防焦劑 0.3，塑解劑 0.3，間苯二酚-甲醛樹脂SL3022 2，癸酸鈷 1，粘合劑HMMM 3，硫黃 3，促進劑NOBS 1.2。

1.3 試驗設備與儀器

X（S）M-0.3L型密煉機，青島科技大學高分子材料成型實驗室開發；X（S）K-160型開煉機，上海橡膠機械廠產品；QLB-D400×400×2型平板硫化機，青島亞東橡膠機械集團有限公司產品；UD-3600型電腦伺服系統動態疲勞試驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品。試驗夾具為自行設計，上夾具為槽式結構，如圖1所示，在上夾具槽內放置橡膠-鋼絲簾線試樣，將鋼絲簾線從2 mm的槽縫隙向下伸出。為了解決鋼絲簾線過細難以夾持的問題，對下夾具的兩塊夾緊板進行滾花處理。使用內六角螺母控制其中一塊夾緊板的移動，利用2個銷釘控制移動方向，與另一固定的夾緊板通過壓力實現對鋼絲簾線的夾緊。

圖1 橡膠-鋼絲簾線動態加載夾具

1.4 試樣制備

（1）將混煉膠用開煉機壓成扁平狀，并用保護薄膜蓋好，以保持膠料表面清潔。鋼絲簾線不能沾有汗漬、油污、灰塵和水等污染物。

（2）去掉混煉膠保護膜，立即將鋼絲簾線放入模具的簾線槽中，埋入長度按照GB/T 16586—2014《硫化橡膠與鋼絲簾線粘合強度的測定》執行。通過裁剪將兩小片混煉膠分別放在模具（見圖2）與上下蓋板之間，合上模具。

圖2 硫化模具

（3）將模具放到已預熱到硫化溫度的電加熱平板硫化機中進行硫化，得到硫化膠試樣尺寸為35 mm×8 mm×10 mm。硫化試樣停放24 h后，清理附在鋼絲簾線端頭的多余膠料，制得橡膠-鋼絲簾線試樣見圖3。

圖3 橡膠-鋼絲簾線試樣

1.5 測試方法

試驗一研究橡膠-鋼絲簾線基體在夾具不同受力位置對粘合失效的影響，試驗二研究鋼絲簾線埋入橡膠基體中的長度對粘合失效的影響。下夾具移動速度均為50 mm·min-1。

采用自行設計的用于動態疲勞試驗機的橡膠-鋼絲簾線試樣夾具，抽出測試共有3種夾持方式：方式一采用槽式結構，將橡膠基體卡在上夾具內，如圖4（a）所示；方式二采用夾具下螺栓頂住鋼絲埋入橡膠部分，如圖4（b）所示；方式三采用夾具上螺栓頂住橡膠鋼絲基體中沒有鋼絲簾線部分，如圖4（c）所示。

圖4 試樣的3種夾持方式示意

2 結果與討論

測試用動態疲勞試驗機主要用于動態壓縮疲勞測試，程序固定設置向上運動為正方向，因此進行動態疲勞或靜態抽出測試時，所得的數據曲線以負值表示。

2.1 試樣夾持方式

在固定鋼絲簾線埋入橡膠的長度為12.5 mm的條件下，分別進行了3種不同夾持方式的對比研究，所測靜態抽出力的變化曲線如圖5所示，試驗數據見表1。

圖5 不同夾持方式下靜態抽出力的測試結果

從圖5和表1可以看出：夾持方式一的曲線近似線性變化，說明鋼絲簾線在抽出過程中粘合界面層受力較均勻；夾持方式二由于受夾緊力的影響，應力的變化快于應變的變化，并且抽出力較大，最大伸長量（最大抽出力對應的鋼絲簾線伸長量）比夾持方式一大；夾持方式三的粘合抽出力較小，但最大伸長量很大。

表1 試樣不同夾持方式下靜態抽出粘合力的測試結果

由此可見，試樣受到的夾緊力對鋼絲簾線抽出力有明顯影響，這是測量時應該避免的。夾持方式三在拉伸過程中，橡膠先發生大變形，隨著橡膠變形的增大，鋼絲簾線逐漸被緩慢抽出，導致了最大伸長量明顯增大，但最大抽出力明顯減小，這主要是因為粘合界面層的粘合力逐漸被損失掉，粘合界面逐漸被破壞[6]，導致鋼絲簾線在最后被抽出時，需要的抽出力比較小。各因素對比分析說明，采用夾持方式一所得數據較好，因此在進行橡膠-鋼絲簾線的抽出試驗時應當選用夾持方式一。

2.2 鋼絲簾線埋入長度

分別對不同鋼絲簾線埋入長度的試樣進行靜態抽出試驗，得到抽出力變化曲線如圖6所示，試驗數據見表2。

從圖6可以看出：隨著抽出力的增大，抽出力與鋼絲簾線伸長量的關系近似呈線性變化，說明在鋼絲簾線抽出過程中，粘合界面受到的抽出力較為均勻；隨著埋入長度的增大，鋼絲簾線伸長量變化趨于緩慢；抽出力達到最大值后立即降到某個值，然后緩慢地完全抽出，且鋼絲簾線埋入長度越大，緩慢抽出的時間越長。這主要是由于橡膠-鋼絲簾線粘合是由粘合力和內摩擦力等要素共同決定的[7]。當抽出力達到最大值時，橡膠-鋼絲簾線粘合已經出現失效，但未完全失效，由于內摩擦力的作用，會緩慢抽出一段時間，直至完全失效。

圖6 不同鋼絲簾線埋入長度下靜態抽出力的測試結果

由表2可見，鋼絲簾線與橡膠的接觸粘合長度越大，靜態抽出力越大，最大伸長量也隨之增大，但單位粘合強度逐漸減小。鋼絲簾線的埋入長度對其單位粘合強度的影響如圖7所示。

表2 不同鋼絲簾線埋入長度試樣的粘合強度測試結果

從圖7可以看出，鋼絲簾線埋入長度越大，單位粘合強度越小。這說明接觸粘合長度對橡膠-鋼絲簾線粘合強度的影響很大，尤其是在鋼絲埋入橡膠長度為10～20 mm范圍內，粘合強度變化較大，在20～40 mm范圍內，粘合強度變化趨于穩定。

圖7 鋼絲簾線埋入長度對單位粘合強度的影響

經過擬合得到橡膠-鋼絲簾線單位粘合強度（Y）隨鋼絲簾線埋入長度（X）的變化關系呈指數衰減，關系式如下：

關系曲線的相關因數為0.999 51。

因此在進行橡膠-鋼絲簾線粘合強度測試時，埋入長度選取10～20 mm之間比較合適。

3 結論

（1）在橡膠-鋼絲簾線粘合強度測試中，夾具只夾持試樣中橡膠部分，在抽出過程中，粘合界面層的粘合性能逐漸被損失掉，粘合界面逐漸被破壞，致使最終抽出力較小；試樣受到的夾緊力對鋼絲簾線抽出力有明顯影響。使用槽式結構夾具，在鋼絲簾線抽出過程中粘合界面層受力較均勻，所得數據較好。

（2）鋼絲簾線與基體橡膠接觸粘合長度越大，靜態抽出力越大，最大伸長量也隨之增大，但單位粘合強度減小。經過擬合得到橡膠-鋼絲簾線單位粘合強度隨鋼絲簾線埋入長度的變化呈指數衰減關系。橡膠-鋼絲簾線的粘合存在摩擦力，鋼絲簾線埋入橡膠中的長度越大，粘合失效到完全粘合失效經歷的時間越長。