橡胶骨架材料复合体黏合性能影响因素分析*

李 利，刘潇冬，肖培光

(青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061)

子午线轮胎中，橡胶骨架材料复合体的性能是保证轮胎行驶安全性的关键因素，因此钢丝帘线与橡胶黏合强度是子午线轮胎生产中的重要检测项目。橡胶和钢丝帘线之间的原始黏合强度固然重要，而在实际生活当中，轮胎在动态使用过程中此黏合强度的保持率才是真正有价值的数据，因此动态疲劳对橡胶骨架材料复合体的黏合性能的影响尤为重要。另外，老化时间和橡胶钢丝复合体的结构因素不同，也会使黏合性能的测量产生不同的结果。笔者针对以上几点因素进行了相应的实验，以探究出橡胶骨架材料复合体黏合性能的影响因素，并对其进行分析研究。

1 实验部分

1.1 原料

钢骨架材料：D0.61 mm表面镀青铜胎圈钢丝和1×3×0.30HT OC高强度表面镀黄铜(铜质量分数为63.5%)钢丝帘线，中国贝卡尔特钢丝帘线有限公司：BR1500、硬脂酸、NR、氧化锌、HAF炭黑、促进剂、硫黄、防老剂等均为市售产品。

1.2 仪器设备

TS2005b万能试验机：优肯科技股份有限公司；GT-7806-1电脑伺服胶带疲劳拉力试验机：高铁检测仪器(东莞)有限公司；X(S)M-1.7L实验用密炼机：青岛科技大学自行研制；X(S)K-160开炼机：上海橡胶机械厂；QLB-D400×400×2平板硫化机：上海第一橡胶机械厂。

1.3 实验配方

实验中橡胶材料使用了表1所示的基本配方[1]，该配方为添加了有机酸钴盐的顺丁橡胶(BR)/天然橡胶(NR)并用胶体系。

表1 橡胶配方

1.4 实验方案

本实验采用静态和动态2种实验来评价钢丝帘线与橡胶的黏合性能，其中动态测量方法为轴向动态实验方法[2]，该方法是利用动态测量系统对橡胶/钢丝复合体进行轴向循环加载，并用拉力试验机对受载后复合体试样进行抽出，测出抽出力及覆胶量，从而获得橡胶与钢丝帘线的黏合强度[3]。

在静态拉力试验机上进行静态测试，调整拉力试验机夹持器的移动速度为50～150 mm/min的恒定速度进行实验。记录帘线从橡胶中抽出所需的最大力和钢丝帘线残留的覆胶量，具体实验研究包括实验一：研究动态疲劳加载对橡胶骨架材料复合体试样黏合性能的影响；实验二：研究老化后的复合体试样与未老化复合体试样的疲劳寿命；实验三：研究钢丝与橡胶黏合的长短是否影响静态抽出力。所需研究的条件及其参数如表2所示。

表2 动态测量实验的相关实验参数及条件

2 结果与讨论

2.1 橡胶/钢丝黏合性能的静、动态测量对比分析

将橡胶钢丝复合体试样放在拉力试验机上，设置拉力试验机的抽出速度为100 mm/min，直接进行抽出并剥离，并对所得的静态测试数据分析计算，得到拉力试验机静态测量黏合强度，结果如表3所示。

表3 静态测量黏合强度分析结果

动态测量实验的评价标准是钢丝帘线与橡胶复合体受到疲劳应力的往复周数[4]。对橡胶/钢丝复合体试样通过动态轴向疲劳试验机进行动态疲劳测试，得出在动态径向变载荷应力下橡胶钢丝复合体的动态测试结果如表4所示。

表4 动态应力下橡胶钢丝复合体的测试结果

将动态径向加载450次后的试样拿到拉力试验机上进行静态抽出，设置拉力试验机的抽出速度为500 mm/min，测得数据如表5所示。

表5 动态加载后试样做静态抽出黏合力的测试报告

通过对比分析静态测量结果(见表3)和动态测量结果(见表5)，以及对橡胶/钢丝复合体试样分别在静动态测量系统作用下的黏合性能进行比较，得到图1。

(c) 覆胶量对比分析图图1 静态测量与动态测量数据对比分析图

从图1可以看出，静态测量得出的最大抽出力明显大于动态测量得出的最大抽出力，表明动态测量系统能使复合体试样产生疲劳；静态测量得出的黏合强度也明显大于动态测量得出的黏合强度，这说明了利用动态测量系统循环不断地对橡胶钢丝复合体试样进行轴向加载，产生的动态疲劳使钢丝和橡胶的黏合性能明显减弱。

2.2 老化后的橡胶/钢丝复合体动态测量对比分析

对橡胶钢丝复合体进行热空气老化(老化温度90 ℃)，将不同老化时间下的橡胶钢丝复合体试样，按照50次、150次、250次、350次、450次进行循环变载荷轴向加载，得出在动态径向变载荷应力作用下不同老化时间橡胶钢丝复合体的测试结果，如图2所示。

(a) 动态力峰值平均值对比图

(b) 动态力谷值平均值对比图

(c) 动态加载幅值对比图图2 不同老化时间试样的动态测量结果

从图2可以看出，老化24 h的试样和老化72 h的试样动态力峰值平均值几乎一致，并且随着循环加载次数的增长而缓慢增长，变化范围并不大。说明老化24 h的试样和老化72 h的试样随着循环次数的增长，动态力峰值变化并不大。

未老化的试样和老化120 h的试样的动态力平均峰值相对来说比较小，并且老化120 h试样的动态力平均峰值随着循环次数的增加反而降低，说明老化到120 h试样已经达到了老化疲劳的效果。

另外，未老化的试样受到的动态力平均谷值随着循环次数的增大变化比较大，其它3种试样变化很小。老化120 h后试样的动态力平均谷值与其它3种试样相反，随着循环次数的增长而逐渐增加。

未老化试样受到的动态加载幅度随着循环加载次数的增加而增加，并且变化幅度不断增加。而其它3种试样随着循环次数的增长变化很小，说明老化后的试样比未老化的试样受力更均匀。分析对比老化后的橡胶钢丝复合体试样和未被老化的试样在动态测量情况下的黏合性能，可以得到表6和图3。

表6 不同老化时间的试样动态加载后静态抽出黏合力的测试结果

从图3可以看出，老化后的橡胶钢丝复合体的黏合性能低于未老化的橡胶钢丝复合体。并且随着热空气老化的时间推移，老化时间越长，橡胶钢丝复合体的黏合强度越低，并且抽出力呈规律性降低，拉伸强度也逐渐降低。这主要是由于在热空气老化条件下，橡胶的热敏感性要比橡胶和钢丝帘线所形成的复合体黏合层高得多[5]，因此在老化后期，橡胶本身的物理性能要比橡胶钢丝复合体黏合层差得多，此时通常能够观察到复合体的最大抽出力有较大程度下降，但覆胶量却维持在较高的水平上。

老化时间/h(a) 最大抽出力对比分析图

老化时间/h(b)黏合强度对比分析图图3 不同老化时间的试样的动态测量黏合特性

2.3 不同接触黏合长度试样静态测量对比分析

为了了解钢丝与橡胶黏合的长短对其复合体试样的静态抽出力是否有影响，分别对4种不同的试样进行静态抽出实验[6]，试样1、试样2、试样3和试样4分别为钢丝埋入橡胶条长度的1/4处、2/4处、3/4处和4/4处。设置拉力试验机的抽出速度为500 mm/min，结果如图4所示。

(a) 拉伸强度对比分析图

(b) 最大抽出力对比分析图图4 不同接触黏合长度的试样的静态测量

从图4可以看出，钢丝与橡胶的接触黏合长度越长，静态抽出力就越大，拉伸强度也随之变大。这说明了不同的接触黏合长度对橡胶钢丝黏合强度的影响很大，尤其是从钢丝埋入橡胶条长度的1/4处到2/4处时，静态的最大抽出力变化最大，从2/4处到4/4处，静态的最大抽出力呈稳定变化。这比较直观地反映了钢丝埋入橡胶条的长度越短，橡胶钢丝的黏合强度下降得越快，这更能体现出钢丝帘线在带束层橡胶中不可替代作用。

另一方面，随着橡胶钢丝接触黏合长度的变化，橡胶钢丝复合体的拉伸强度变化并不大且呈规律性变化，由此可以看出，橡胶钢丝的接触黏合长度对其复合体的拉伸强度并没有太大的影响。

3 结 论

(1) 静态测量得出的最大抽出力明显大于动态测量得出的最大抽出力，静态测量得出的黏合强度也明显大于动态测量得出的黏合强度，说明动态疲劳加载对橡胶钢丝复合体的黏合性能影响较大。同时动态受载后的试样寿命明显比静态测量要短，这也反映了动态测量更能体现出轮胎在实际行驶过程中所受到的影响。

(2) 老化后的橡胶钢丝复合体的黏合性能低于未老化的橡胶钢丝复合体，并且随着热空气老化的时间推移，老化时间越长，橡胶钢丝复合体的黏合强度越低，并且抽出力呈规律性降低，拉伸强度也逐渐降低。

(3) 钢丝与橡胶的接触黏合长度越长，静态抽出力就越大，拉伸强度也随之变大。这说明了随着橡胶钢丝的接触黏合长度不断变长，橡胶钢丝黏合强度的也随之变大。

参 考 文 献：

[1] 唐跃，田会玲，李晓荣，等.半钢子午线轮胎带束层胶料配方的优化设计[J].轮胎工业，2004，24(5)：281-283.

[2] JOHN S D,HENRY A P.RPA2000橡胶加工性能分析仪的应用[J].橡胶工业，1998，45(5)：301-314.

[3] 栗波.EC法测定子午线轮胎钢丝帘线与胶料黏合强度[J].轮胎工业，2004，24(6)：379-380.

[4] 陈新，赵燕超.轮胎用钢丝帘线与橡胶的黏合机理[J].轮胎工业，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.橡胶/钢丝复合体黏合强度动态测量理论及方法研究[D].青岛：青岛科技大学，2012.