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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

目前，國內(nèi)對橡膠與鋼絲簾線粘合強(qiáng)度的測試主要有歐洲共同體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法（EC法）和美國材料試驗(yàn)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)方法（ASTM法）[1]兩種方法。這兩種方法均為靜態(tài)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(shí)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(jié)果有較大影響。

本工作通過對比試驗(yàn)，研究試樣因素對橡膠-鋼絲簾線粘合性能測定結(jié)果的影響，為橡膠-鋼絲簾線粘合強(qiáng)度的靜、動(dòng)態(tài)測量[4-5]提供保證。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

1×3×0.30HT OC高強(qiáng)度表面鍍黃銅（銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.635）鋼絲簾線，山東恒宇科技有限公司產(chǎn)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(jìn)劑NOBS 1.2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

X（S）M-0.3L型密煉機(jī)，青島科技大學(xué)高分子材料成型實(shí)驗(yàn)室開發(fā)；X（S）K-160型開煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；QLB-D400×400×2型平板硫化機(jī)，青島亞東橡膠機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；UD-3600型電腦伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)，中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品。試驗(yàn)夾具為自行設(shè)計(jì)，上夾具為槽式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在上夾具槽內(nèi)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(xì)難以夾持的問題，對下夾具的兩塊夾緊板進(jìn)行滾花處理。使用內(nèi)六角螺母控制其中一塊夾緊板的移動(dòng)，利用2個(gè)銷釘控制移動(dòng)方向，與另一固定的夾緊板通過壓力實(shí)現(xiàn)對鋼絲簾線的夾緊。

圖1 橡膠-鋼絲簾線動(dòng)態(tài)加載夾具

1.4 試樣制備

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

（2）去掉混煉膠保護(hù)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(qiáng)度的測定》執(zhí)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(yù)熱到硫化溫度的電加熱平板硫化機(jī)中進(jìn)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(yàn)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(yàn)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(dòng)速度均為50 mm·min-1。

采用自行設(shè)計(jì)的用于動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)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(jié)構(gòu)，將橡膠基體卡在上夾具內(nèi)，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(jié)果與討論

測試用動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)主要用于動(dòng)態(tài)壓縮疲勞測試，程序固定設(shè)置向上運(yùn)動(dòng)為正方向，因此進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞或靜態(tài)抽出測試時(shí)，所得的數(shù)據(jù)曲線以負(fù)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(jìn)行了3種不同夾持方式的對比研究，所測靜態(tài)抽出力的變化曲線如圖5所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖5 不同夾持方式下靜態(tài)抽出力的測試結(jié)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(yīng)力的變化快于應(yīng)變的變化，并且抽出力較大，最大伸長量（最大抽出力對應(yīng)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(tài)抽出粘合力的測試結(jié)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(shí)應(yīng)該避免的。夾持方式三在拉伸過程中，橡膠先發(fā)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(dǎo)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?yàn)檎澈辖缑鎸拥恼澈狭χ饾u被損失掉，粘合界面逐漸被破壞[6]，導(dǎo)致鋼絲簾線在最后被抽出時(shí)，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(shù)據(jù)較好，因此在進(jìn)行橡膠-鋼絲簾線的抽出試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)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(jìn)行靜態(tài)抽出試驗(yàn)，得到抽出力變化曲線如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guān)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(dá)到最大值后立即降到某個(gè)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(shí)間越長。這主要是由于橡膠-鋼絲簾線粘合是由粘合力和內(nèi)摩擦力等要素共同決定的[7]。當(dāng)抽出力達(dá)到最大值時(shí)，橡膠-鋼絲簾線粘合已經(jīng)出現(xiàn)失效，但未完全失效，由于內(nèi)摩擦力的作用，會緩慢抽出一段時(shí)間，直至完全失效。

圖6 不同鋼絲簾線埋入長度下靜態(tài)抽出力的測試結(jié)果

由表2可見，鋼絲簾線與橡膠的接觸粘合長度越大，靜態(tài)抽出力越大，最大伸長量也隨之增大，但單位粘合強(qiáng)度逐漸減小。鋼絲簾線的埋入長度對其單位粘合強(qiáng)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(qiáng)度測試結(jié)果

從圖7可以看出，鋼絲簾線埋入長度越大，單位粘合強(qiáng)度越小。這說明接觸粘合長度對橡膠-鋼絲簾線粘合強(qiáng)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(nèi)，粘合強(qiáng)度變化較大，在20～40 mm范圍內(nèi)，粘合強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。

圖7 鋼絲簾線埋入長度對單位粘合強(qiáng)度的影響

經(jīng)過擬合得到橡膠-鋼絲簾線單位粘合強(qiáng)度（Y）隨鋼絲簾線埋入長度（X）的變化關(guān)系呈指數(shù)衰減，關(guān)系式如下：

關(guān)系曲線的相關(guān)因數(shù)為0.999 51。

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

3 結(jié)論

（1）在橡膠-鋼絲簾線粘合強(qiáng)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?。辉嚇邮艿降膴A緊力對鋼絲簾線抽出力有明顯影響。使用槽式結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)較好。

（2）鋼絲簾線與基體橡膠接觸粘合長度越大，靜態(tài)抽出力越大，最大伸長量也隨之增大，但單位粘合強(qiáng)度減小。經(jīng)過擬合得到橡膠-鋼絲簾線單位粘合強(qiáng)度隨鋼絲簾線埋入長度的變化呈指數(shù)衰減關(guān)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(jīng)歷的時(shí)間越長。