鄭愛(ài)隔，馬明強(qiáng)，李 琦，史新妍

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省橡塑材料與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

輪胎在行駛過(guò)程中承受周期性載荷的作用，會(huì)導(dǎo)致其物理機(jī)械性能下降，嚴(yán)重時(shí)輪胎會(huì)失效甚至爆炸。Mars W V等[1]分析了影響橡膠復(fù)合材料機(jī)械疲勞壽命的4個(gè)主要因素：所受機(jī)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(jī)械載荷瞬息萬(wàn)變，難以準(zhǔn)確測(cè)量，國(guó)內(nèi)外研究[2-7]多集中于對(duì)鋼絲簾線/橡膠施加單一載荷，且測(cè)試方法不統(tǒng)一，沒(méi)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(cè)試方法，用以模擬胎體中鋼絲簾線與橡膠在輪胎行駛過(guò)程中的真實(shí)受力狀況，通過(guò)對(duì)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(duì)鋼絲簾線/硫化橡膠粘合性能的影響，為預(yù)測(cè)輪胎壽命和設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

天然橡膠(NR)：牌號(hào)SCR5，海南天然橡膠集團(tuán)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(guó)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(shí)Bekaert公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)配方

實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(kāi)煉機(jī)：SK-160B，上海輕工機(jī)械研究所；橡塑實(shí)驗(yàn)密煉機(jī)：XSM-500，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；萬(wàn)能電子拉力機(jī)：Z020，德國(guó)Zwick公司；體視顯微鏡：SMZ1500，日本尼康公司；橡膠曲撓疲勞試驗(yàn)機(jī)：MZ-4003C，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)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(jī)，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(shí)，將稱好的小料加入到密煉機(jī)中，約3 min后，加入炭黑及白炭黑，待轉(zhuǎn)矩曲線水平時(shí)，排膠得到母煉膠；在開(kāi)煉機(jī)上繼續(xù)混煉，加入促進(jìn)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(jī)硫化，硫化條件為151 ℃/10 MPa×tc90。

1.5 分析測(cè)試

1.5.1 動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試

通過(guò)專用模具在平板硫化機(jī)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(jìn)行拉伸曲撓疲勞測(cè)試，拉伸形變4 mm，往復(fù)行程為66 mm，疲勞頻率為5 Hz，動(dòng)態(tài)疲勞次數(shù)與疲勞溫度為變量，疲勞之后停放32 h測(cè)試粘合強(qiáng)度。動(dòng)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(jī)上，利用T-抽出法測(cè)試硫化橡膠與鋼絲簾線的粘合力，上夾持器移動(dòng)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(cè)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(jìn)行元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞溫度對(duì)鋼絲簾線抽出力的影響

采用如圖2所示的疲勞測(cè)試，疲勞次數(shù)為20萬(wàn)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(duì)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(dá)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(guò)程中鏈段運(yùn)動(dòng)困難，容易對(duì)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(guò)程中的生熱會(huì)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(huì)下降。

2.2 疲勞溫度對(duì)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(diǎn)，這與膠料較難浸潤(rùn)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(duì)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(jìn)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(shí)采用SEM附帶的EDS對(duì)顆粒元素成分進(jìn)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(dòng)態(tài)周期力的作用下，鋼絲簾線與橡膠有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)范圍變大，與相鄰粒子的接觸機(jī)會(huì)變多，因此不斷聚集起來(lái)。疲勞溫度越高，膠料越柔軟，填料粒子活動(dòng)越劇烈，聚集的顆粒就越大，最終成為應(yīng)力集中點(diǎn)，進(jìn)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(lái)越大的填料聚集體顆粒，這會(huì)成為粘合失效的誘因。

參 考 文 獻(xiàn)：

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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