橡膠拉伸斷裂能與磨耗性能的關(guān)系研究

崔玉香，孫舉濤，劉 堯

（1.青島安普泰科電子有限公司，山東 青島 266108；2.青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042）

橡膠磨耗過程非常復(fù)雜，影響因素眾多。雖然人們對橡膠的磨耗過程[1-2]、磨耗機(jī)理[3-4]和影響因素[5-6]進(jìn)行了很多研究，但對影響橡膠耐磨耗性能的決定性因素仍然沒有得到共識，對在一定條件下預(yù)測橡膠制品的磨耗性能仍缺乏科學(xué)的認(rèn)識。橡膠的耐磨性能從本質(zhì)上取決于強(qiáng)度、彈性滯后、疲勞和摩擦等較為簡單的物理性能，因此基于基本物理性能來構(gòu)建橡膠制品耐磨耗性能的預(yù)測模型一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。雖然P.Thavamani等[7]、A.N.Gent等[3]和N.Amino等[8]分別建立了基于彈性模量、摩擦功和滯后性能的耐磨耗性能預(yù)測公式，但這些關(guān)系式大多針對一定類型的彈性體或一定的試驗方法，有些公式所需的物理性能需要特殊的測試設(shè)備才能得到，因此應(yīng)用范圍有限。橡膠的拉伸斷裂能與其強(qiáng)度、彈性模型和拉斷伸長率等物理性能密切相關(guān)，因此對硫化膠的磨耗性能有重要影響。K.A.Grosch等[9]采用針式磨耗儀研究了拉伸斷裂能與磨耗強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其與磨耗強(qiáng)度具有較好的線性關(guān)系。

目前的橡膠磨耗性能測試誤差比較大，而硫化體系（硫黃和促進(jìn)劑）對磨耗性能的影響又比較小，如果固定促進(jìn)劑或硫黃用量，研究另一變量對磨耗的影響，其磨耗量相差很小，而誤差又比較大，不適合做規(guī)律性的研究。因此本工作設(shè)計了4個硫化體系和3個膠種，采用阿克隆和DIN磨耗儀，研究硫化膠拉伸斷裂能與磨耗量的關(guān)系，為在一定條件下預(yù)測橡膠制品的磨耗特性和磨耗壽命提供有效判據(jù)和理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 主要原材料

丁苯橡膠（SBR，牌號1500E）、順丁橡膠（BR，牌號9000），中國石化齊魯石化公司產(chǎn)品；天然橡膠（NR），牌號SMR20，馬來西亞產(chǎn)品；炭黑，青島德固賽化學(xué)有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

SBR、NR和BR的普通硫化體系（CV）、有效硫化體系（EV）、半有效硫化體系（SEV）和平衡硫化體系（EC）的配方分別如表1～3所示。

表1 SBR配方 份

表2 NR配方 份

表3 BR配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

Z-005型電子拉力機(jī)，德國Zwic公司產(chǎn)品；JC-1007型橡膠沖擊彈性試驗機(jī)，精誠測試儀器（上海）有限公司產(chǎn)品；LX-A型橡膠硬度計，上海險峰電影機(jī)械廠產(chǎn)品；GT-7012-A型阿克隆磨耗機(jī)、GT-7017型老化試驗箱，高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

在開煉機(jī)上加入橡膠，待生膠包輥后依次加入氧化鋅、硬脂酸、促進(jìn)劑等小料，混煉均勻后加入炭黑，左右各割膠3次，混煉均勻后將輥距調(diào)至1 mm，薄通6次下片。按硫化儀測定膠料的正硫化時間（t90），在平板硫化機(jī)上于150 ℃/15 MPa×t90條件下硫化試樣。

1.5 性能測試

各項性能均按相應(yīng)國標(biāo)進(jìn)行測試。拉伸斷裂能是指試樣拉斷過程中拉伸曲線下包圍的面積，由電子拉力機(jī)直接給出，測5個試樣，取中值。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化體系對膠料物理性能的影響

硫化體系對SBR，NR和BR物理性能的影響如表4所示。

表4 硫化體系對SBR，NR和BR物理性能的影響

在不同硫化體系下，SBR，NR和BR的交聯(lián)密度和交聯(lián)鍵類型都有較大的差別，因此硫化膠的基本物理性能和拉伸斷裂能均有一定的差異。

2.2 拉伸斷裂能與磨耗性能的關(guān)系

橡膠的磨耗破壞過程也是斷裂過程，因此橡膠的拉伸斷裂能對耐磨性能有一定的影響。SBR，NR和BR硫化膠的拉伸斷裂能與磨耗性能的關(guān)系如圖1～3所示。

從圖1可以看出，SBR的拉伸斷裂能對阿克隆磨耗和DIN磨耗的影響相反，硫化膠的阿克隆磨耗量隨拉伸斷裂能的增大而提高，而DIN磨耗量則隨拉伸斷裂能的增大而近乎呈線性降低。這可能與阿克隆與DIN磨耗機(jī)理不同有關(guān)。

圖1 SBR磨耗性能與拉伸斷裂能的關(guān)系

從圖2可以看出，隨拉伸斷裂能的增大，NR硫化膠的阿克隆和DIN磨耗量均有所下降，但阿克隆磨耗的相關(guān)性較差。

圖2 NR磨耗性能與拉伸斷裂能的關(guān)系

從圖3可以看出，隨拉伸斷裂能的增大，BR硫化膠的DIN磨耗量基本呈線性下降，但對于阿克隆磨耗而言，這種相關(guān)性較差，尤其是SEV體系，明顯偏離擬合曲線。

圖3 BR磨耗性能與拉伸斷裂能的關(guān)系

從以上分析可以看出，3種橡膠的拉伸斷裂能都與DIN磨耗有一定的相關(guān)性，但與阿克隆磨耗量的相關(guān)性較差。為驗證這一結(jié)論，以SBR為研究對象（采用表1中EC配方，只改變炭黑種類），探討不同炭黑種類條件下，硫化膠拉伸斷裂能與磨耗性能的關(guān)系。N115，N134，N220，N234，N326，N330，N550，N660和N774九種炭黑補(bǔ)強(qiáng)的SBR硫化膠拉伸斷裂能與磨耗性能的關(guān)系如圖4所示。

圖4 9種炭黑補(bǔ)強(qiáng)的SBR硫化膠磨耗性能與拉伸斷裂能的關(guān)系

從圖4可以看出，拉伸斷裂能與硫化膠的DIN磨耗量有一定的相關(guān)性，但與阿克隆磨耗量的相關(guān)性較差。

3 結(jié)論

（1）SBR，BR和NR硫化膠的DIN磨耗量與其拉伸斷裂能都有一定的相關(guān)性，隨拉伸斷裂能的增大，硫化膠的DIN磨耗量下降，耐磨性能提高。

（2）SBR，BR和NR硫化膠的拉伸斷裂能與阿克隆磨耗量的相關(guān)性較差。

（3）對于不同種類炭黑補(bǔ)強(qiáng)的SBR，硫化膠的拉伸斷裂能與DIN磨耗量有一定的相關(guān)性，而與阿克隆磨耗量的相關(guān)性不明顯。這說明拉伸斷裂能與DIN磨耗量的相關(guān)性有一定的普適性。