試驗(yàn)頻率和溫度對(duì)橡膠/纖維簾線復(fù)合材料動(dòng)態(tài)粘合性能的影響

伍少海，陸恒玉，俞華英，唐竹弟，鹿忠昱，苑賓賓

（中國(guó)化工集團(tuán)曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 廣西航空輪胎結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541007）

橡膠/纖維簾線復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、優(yōu)異的耐疲勞性能等廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，如輪胎、輸送帶、膠帶等生產(chǎn)中[1-4]。為滿足航空輪胎高速、高載、高頻率、高應(yīng)變的苛刻工作環(huán)境，保障飛機(jī)起飛和著陸時(shí)的安全性，輪胎的橡膠/簾線復(fù)合材料須具備良好的界面粘合性能，才能將外部載荷通過(guò)橡膠基體有效傳遞到簾線上，最大限度地發(fā)揮簾線作為骨架材料的承載作用，防止橡膠基體過(guò)載導(dǎo)致輪胎失效[5-9]。

為了衡量和優(yōu)化橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的界面結(jié)合，需要準(zhǔn)確測(cè)試橡膠與纖維簾線的粘合強(qiáng)度，目前粘合強(qiáng)度的測(cè)試方法主要有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)法有剪切型強(qiáng)度（如H抽出力、T抽出力）和剝離型強(qiáng)度（如180°剝離強(qiáng)度）兩種測(cè)試方法。由于輪胎在行駛過(guò)程中承受反復(fù)壓縮、拉伸、彎曲等作用，其橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的熱力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜多變，靜態(tài)法測(cè)試結(jié)果只能反映初始粘合性能，對(duì)于模擬橡膠/纖維簾線復(fù)合材料在輪胎工作狀態(tài)下的真實(shí)粘合情況意義不大。動(dòng)態(tài)法測(cè)試可模擬高溫、高載荷、屈撓剪切變形等狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果能更真實(shí)地反映橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的粘合性能及耐疲勞性能[10]。

考慮航空輪胎的高頻、高速、高載工作條件，本研究采用簾線動(dòng)態(tài)粘合試驗(yàn)機(jī)研究試驗(yàn)頻率和溫度對(duì)橡膠/纖維簾線復(fù)合材料粘合性能的影響，從宏觀力學(xué)性能和材料形態(tài)兩方面研究橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)靜態(tài)性能變化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），云南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；丁苯橡膠（SBR），中國(guó)石油蘭州石化分公司產(chǎn)品；炭黑N330，美國(guó)卡博特公司產(chǎn)品；1400dtex/2錦綸66簾線，河南平頂山神馬簾子布有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

NR 80，SBR 20，炭黑N330 35，沉淀法白炭黑 8，硅烷偶聯(lián)劑KH560 1.5，氧化鋅 4，硬脂酸 1.5，芳烴油 4，粘合增進(jìn)劑 3，防老劑3.5，硫化劑/促進(jìn)劑 4.2。

1.3 主要設(shè)備和儀器

X（S）M-1.7型密煉機(jī)，大連嘉美達(dá)橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XK-150型雙輥開(kāi)煉機(jī)，廣東省湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；50T型電熱平板硫化機(jī)，無(wú)錫市晨光橡塑機(jī)械廠產(chǎn)品；LDN-II型簾線動(dòng)態(tài)粘合試驗(yàn)機(jī)，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；ProX5型掃描電子顯微鏡（SEM），復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉膠

在密煉機(jī)中進(jìn)行一段混煉，加料順序?yàn)椋荷z→白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑→小料→炭黑、油→硫化劑/促進(jìn)劑→排膠；一段混煉膠在開(kāi)煉機(jī)上左右割刀翻煉、薄通、下片；終煉膠經(jīng)冷卻、停放后使用。

1.4.2 橡膠/纖維簾線復(fù)合材料試樣

按照GB/T 39639—2020要求，將下片厚度為3 mm的混煉膠裁剪成與模具模腔尺寸相匹配的上、下膠片，先將下膠片放入模腔，以垂直于膠片方向?qū)⒗w維簾線放入線槽，固定上端，并在每根簾線下端掛上200 g砝碼使其拉直，再在纖維簾線上覆上上膠片，如圖1（a）所示。采用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化，硫化條件為138 ℃×50 min，硫化試樣如圖1（b）所示。硫化試樣在室溫下停放24 h后進(jìn)行修剪，并逐個(gè)剪成單根簾線試樣，得到橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能測(cè)試試樣。

圖1 橡膠/纖維簾線復(fù)合材料動(dòng)態(tài)粘合性能測(cè)試試樣Fig.1 Test sample for dynamic adhesion of rubber/fiber cord composites

1.5 性能測(cè)試

按照GB/T 39639—2020采用簾線動(dòng)態(tài)粘合試驗(yàn)機(jī)測(cè)試橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能。以試樣經(jīng)過(guò)持續(xù)的往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)后纖維簾線與橡膠脫落所經(jīng)過(guò)的試驗(yàn)時(shí)間及脫落次數(shù)表征復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能，測(cè)試裝置如圖2所示[11]。以5個(gè)試樣為一組，以測(cè)試平均值作為測(cè)試結(jié)果。

圖2 橡膠/纖維簾線復(fù)合材料動(dòng)態(tài)粘合性能測(cè)試裝置示意Fig.2 Diagram of testing device for dynamic adhesion of rubber/fiber cord composites

采用SEM觀察經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)粘合測(cè)試后的試樣的纖維簾線表面及橫截面形貌，在測(cè)試之前對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 試 驗(yàn)頻率對(duì)橡膠/纖維簾線復(fù)合材料動(dòng)態(tài)粘合性能的影響

為了提高試驗(yàn)效果的顯著性，研究了高溫下試驗(yàn)頻率對(duì)橡膠/纖維簾線復(fù)合材料動(dòng)態(tài)粘合性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，在不同試驗(yàn)頻率的剪切作用下，隨著試驗(yàn)頻率的增大，橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)、脫落次數(shù)增大，且試驗(yàn)頻率越高，試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)和脫落次數(shù)增大幅度越大。

表1 在不同試驗(yàn)頻率下橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能Tab.1 Dynamic adhesions of rubber/fiber cord composites at different test frequencies

分析認(rèn)為，在高頻剪切作用下，橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的形變來(lái)不及跟上交變應(yīng)力的變化，復(fù)合材料受到的剪切作用較小，失效所用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；而在低頻率剪切作用下，應(yīng)力與應(yīng)變的滯后效應(yīng)小，橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的形變可以跟上交變應(yīng)力的變化，受到的往復(fù)剪切作用明顯。

在不同試驗(yàn)頻率下脫落纖維簾線的表面形貌如圖3所示。由圖3（a）可見(jiàn)，在高試驗(yàn)頻率（16 Hz）下脫落的纖維簾線的表面被橡膠完全包覆，且表面較為光滑，說(shuō)明橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的橡膠基體容易在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中脫開(kāi)。分析認(rèn)為，橡膠/纖維簾線復(fù)合材料在往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)橡膠分子產(chǎn)生摩擦，在高頻剪切作用下復(fù)合材料的生熱速率高，而橡膠的熱導(dǎo)率低，橡膠基體內(nèi)部熱量積聚，溫度升高，此時(shí)橡膠基體的軟化程度高，橡膠基體因自身結(jié)合力下降而破壞。

由圖3（b）—（d）可見(jiàn)，在低試驗(yàn)頻率下脫落的纖維簾線的表面被橡膠包覆，但仍有一小部分簾線裸露出來(lái)，表明橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的粘合失效是由橡膠基體與纖維簾線的界面脫粘、橡膠基體的破壞兩種形式引起的。隨著試驗(yàn)頻率降低，橡膠沿纖維簾線延伸方向呈螺紋形狀的現(xiàn)象越明顯，表明橡膠基體受到的剪切作用力更強(qiáng)。

圖3 在不同試驗(yàn)頻率下脫落的纖維簾線的表面形貌Fig.3 Surface morphologies of shed fiber cords at different test frequencies

2.2 試 驗(yàn)溫度對(duì)橡膠/纖維簾線復(fù)合材料動(dòng)態(tài)粘合性能的影響

在不同試驗(yàn)溫度下橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)，隨著試驗(yàn)溫度的升高，橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合試驗(yàn)時(shí)間縮短、脫落次數(shù)減小，且試驗(yàn)溫度越高，試驗(yàn)時(shí)間縮短和脫落次數(shù)減小越明顯。

表2 在不同試驗(yàn)溫度下橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能Tab.2 Dynamic adhesions of rubber/fiber cord composites at different test temperatures

不同試驗(yàn)溫度下脫落纖維簾線的表面形貌如圖4所示。由圖4可見(jiàn)：在試驗(yàn)溫度為80和100 ℃下脫落的纖維簾線的表面被橡膠基體覆蓋，表明復(fù)合材料的粘合失效是由橡膠基體的破壞引起的；而試驗(yàn)溫度為120 ℃時(shí)，沿纖維簾線延伸方向包覆著階梯狀分布的橡膠，并有小部分表面完好的纖維簾線裸露出來(lái)，說(shuō)明存在橡膠基體的破壞和橡膠基體與纖維簾線的界面脫粘兩種失效形式。

圖4 在不同試驗(yàn)溫度下脫落的纖維簾線的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of shed fiber cords at different test temperatures

總結(jié)得出：動(dòng)態(tài)粘合試驗(yàn)過(guò)程中橡膠/纖維簾線復(fù)合材料要承受多次往復(fù)剪切形變，橡膠基體熱量積聚，內(nèi)溫升高；高溫加速了橡膠分子鏈的軟化，引起橡膠的自身結(jié)合力下降，抵抗外部載荷的能力減弱，因此在多次剪切形變后橡膠基體發(fā)生破壞[12]。另一方面，橡膠與纖維簾線界面存在機(jī)械鎖合、氫鍵等相互作用，高溫（120 ℃）加劇了橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)、提高了橡膠分子鏈的柔順性，減弱了橡膠與纖維簾線界面的相互作用。因此，在高溫及持續(xù)剪切作用下，橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的橡膠基體被破壞，橡膠與纖維簾線的界面脫粘，復(fù)合材料的粘合失效。

3 結(jié)論

研究了在不同的試驗(yàn)頻率和溫度下橡膠/纖維簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能，并觀察失效簾線的表面形貌。結(jié)果表明，由于橡膠/纖維簾線復(fù)合材料對(duì)外部環(huán)境的抵抗能力不同，復(fù)合材料存在不同的粘合失效模式，即橡膠基體的破壞和橡膠與纖維簾線的界面脫粘，且試驗(yàn)頻率越低、試驗(yàn)溫度越高，復(fù)合材料發(fā)生粘合失效越快。