采用更加黏著性測(cè)試方法

黃元昌

(全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100043)

幾十年來(lái)，在橡膠加工中采用增黏劑是一種司空見(jiàn)慣的做法。黏著性最簡(jiǎn)單的定義就是兩種材料表面短時(shí)間、輕壓力情況下接觸后抗分離的能力。

輪胎制造和其他多層結(jié)構(gòu)一樣需要疊合在一起，并要保持不動(dòng)直到完成硫化加工全過(guò)程，黏著性十分重要。另外，在硫化過(guò)程中，為防止在成品中多產(chǎn)生空隙和氣泡缺陷，則層與層之間的黏合很重要。

而黏著性實(shí)驗(yàn)室測(cè)量仍然比較困難，且不可靠。近年來(lái)已有了很大的進(jìn)步，從測(cè)量球滾過(guò)橡膠覆蓋斜面/平面所需的時(shí)間變化到目前使用測(cè)力傳感器和計(jì)算機(jī)控制的拉伸儀。雖然實(shí)驗(yàn)裝置有很大的改進(jìn)，但我們發(fā)現(xiàn)設(shè)備的操作參數(shù)還沒(méi)有為實(shí)現(xiàn)精確、可靠的測(cè)量而進(jìn)行優(yōu)化。所以，我們研究了對(duì)測(cè)量有明顯影響的參數(shù)，并設(shè)法優(yōu)化這些參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 增黏樹(shù)脂

標(biāo)準(zhǔn)牌子增黏劑是SI集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品。增黏樹(shù)脂全部來(lái)自工廠生產(chǎn)。

1.2 膠料混煉

膠料在Farrel BR(1.7 L)本伯里密煉機(jī)中混煉，填充系數(shù)為65%。

1.3 黏著性測(cè)試

黏著性測(cè)試用Dynisco (過(guò)去被稱(chēng)作B.F.Goodrich Portable Unirersal)黏著性試驗(yàn)儀進(jìn)行。試驗(yàn)存放在濕度和相對(duì)濕度(20℃，50%)受控的條件下最長(zhǎng)8d。

1.4 膠料

研究了幾中橡膠并用膠的黏著性，大多數(shù)工作采用60/40的天然橡膠(NR)/聚丁二烯橡膠（PB-dR）并用膠，早期研究表明，該膠料對(duì)黏著性很敏感，所以在我們的研究中也十分有用。典型配方見(jiàn)表1。

表1 用于測(cè)試典型配方

此外，用另一種配方也進(jìn)行了少量的研究，但配方性質(zhì)與結(jié)果不相關(guān)。

2 結(jié)果與討論

在文獻(xiàn)中，先前的工作表明，有3個(gè)因素控制黏著性的變化，它們是接觸壓力、材料溫度和試樣的接觸時(shí)間。用SBR膠料進(jìn)行的研究表明，增大千分之一接觸壓力，黏著性增加2倍。同一作者報(bào)道了溫度從3～25℃沒(méi)有影響。然而，接觸時(shí)間有非常明顯的影響。時(shí)間從1 ms增加到10 ms黏著性增加接近10倍。時(shí)間在增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，黏著性?xún)H增大3倍。時(shí)間進(jìn)一步增加100倍（從0.1～10 s），黏著性?xún)H僅增加3倍。所以，時(shí)間和黏著性的關(guān)系在一個(gè)極短的時(shí)間區(qū)間非常敏感，并且在10 s后變得不那么明顯。

標(biāo)準(zhǔn)黏著性試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)過(guò)程經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)。而早期的試驗(yàn)方法包括由黏合劑試驗(yàn)的改進(jìn)，比如環(huán)形黏性，及測(cè)量一個(gè)規(guī)定的球從橡膠涂復(fù)斜面上滾下來(lái)的時(shí)間。這些測(cè)量方法不是十分精確，并且測(cè)試變量控制方法很少。而目前最先進(jìn)的黏著性測(cè)量設(shè)備采用一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的拉伸儀和一個(gè)測(cè)力傳感器。試樣在給定壓力下接觸設(shè)定的時(shí)間，然后被分離。在分離過(guò)程中，記錄應(yīng)力，用于確定材料的黏著性能，這是我們尋求改進(jìn)操作參數(shù)的測(cè)試方法，使黏著性測(cè)試成為更可靠的測(cè)試。

在優(yōu)化黏著性型測(cè)試時(shí)，有三方面需要考慮，即試樣、儀器的操作參數(shù)及數(shù)據(jù)分析。對(duì)于試樣，評(píng)估了形狀、厚度和結(jié)構(gòu)。試樣第4個(gè)需要考慮的因素，尤其是包括NR的膠料，是加工工藝。然而，這個(gè)分析超出了本文的范圍，將在以后的論文中單獨(dú)討論。而對(duì)于操作參數(shù)，評(píng)估了接觸壓力、時(shí)間以及分離速度。這種類(lèi)型的測(cè)試適用于兩種分析模式：分離時(shí)的峰值力和曲線下積分的總能量。

2.1 試樣

盡管有幾種形狀可以考慮，但我們僅評(píng)估了從剛出的橡膠片上裁下來(lái)的圓形試樣。按照我們的經(jīng)驗(yàn)，平試樣更容易處理和使用，因此，我們使用扁平狀的試樣架。在測(cè)試之前，實(shí)際試樣用氰基丙烯酸酯膠黏到圓盤(pán)上。

在測(cè)試中，為了防止邊緣效應(yīng)干擾測(cè)試結(jié)果，使用了兩個(gè)不同直徑（12 mm和16 mm）的試樣。用這種方式，測(cè)試了僅有一個(gè)暴露切邊，盡管我們?cè)囼?yàn)了幾個(gè)不同的直徑對(duì)，但我們發(fā)現(xiàn)這些能產(chǎn)生足夠的黏著性，可在測(cè)力傳感器響應(yīng)范圍內(nèi)很好地測(cè)量。從理論上講，對(duì)于低黏著性的材料（比如EPDM）,為產(chǎn)生可接受的測(cè)量結(jié)果，則我們可使用較大的試樣。

研究了試樣厚度2、3、4和5 mm，典型曲線如圖1所示。很明顯，曲線的形狀隨試樣厚度的增加而變化。表2表示出5個(gè)試樣在每個(gè)厚度下的測(cè)量結(jié)果，盡管黏著性的絕對(duì)值隨試樣厚度的增加而降低，但RSD（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差）變小。在2 mm時(shí)，RSD是10.1%，然而，在4 mm時(shí)，RSD是2 mm時(shí)的一半，為5.1%。而5 mm時(shí)沒(méi)有顯示出最小的RSD,與較低設(shè)定值相比，在開(kāi)煉機(jī)上制備試樣更可靠，重現(xiàn)性更好。2 mm試樣有如此高的誤差可能是因?yàn)槲覀儾荒芫_地控制厚度，或與安裝有關(guān)，比如膠黏劑的滲透。

圖1 不同試樣厚度的測(cè)試

2.2 儀器操作

表2 黏著性（測(cè)試厚度）

考察了影響試驗(yàn)的3個(gè)主要因素，包括施加的載荷、接觸時(shí)間和分離速度。盡管Kim等人的研究表明。施加的力對(duì)黏著性測(cè)試幾乎沒(méi)有影響，但我們不知道合適的設(shè)置應(yīng)該是什么。這篇文獻(xiàn)的確表明接觸時(shí)間是最重要的因素，并且對(duì)響應(yīng)提出了建議，在盡可能獲取更多數(shù)據(jù)的同時(shí)仍有合理的測(cè)試時(shí)間用于測(cè)試許多試樣。很明顯，若進(jìn)行研究工作，并且試樣具有很小的黏著性，則采用更長(zhǎng)的時(shí)間是應(yīng)該有利的。有關(guān)試樣分離速度對(duì)黏著性測(cè)試的影響研究結(jié)果不多。而我們的結(jié)果將表明，分離速度有明顯的影響。

對(duì)于施加載荷的試驗(yàn)，我們則選擇了兩個(gè)設(shè)置，2 N和5 N。圖2表示一組5個(gè)試樣在每個(gè)條件下的測(cè)試結(jié)果。

圖2 施加載荷的影響

顯然，當(dāng)使用較大的載荷時(shí)，重現(xiàn)性大幅提高。表3表示出20個(gè)試樣在兩個(gè)載荷和兩個(gè)分離速度下測(cè)試的數(shù)據(jù)。比較2 N和5 N在這一個(gè)分離速度下（10或30 mm/min）的結(jié)果可看出，在較高載荷的作用下，測(cè)量值一致高出50%。然而標(biāo)準(zhǔn)偏差值較小，RSD大約降低50%。很明顯，與2 N相比，較高的載荷下測(cè)試結(jié)果重現(xiàn)性更好。而考慮在測(cè)試中的可變性可能來(lái)自?xún)x器自身，不是實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象。所以我們校準(zhǔn)了測(cè)力計(jì)，看它是否在這個(gè)范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)。這些數(shù)據(jù)如圖3所示。

表3 不同載荷下的結(jié)果

圖3 傳感器校準(zhǔn)

測(cè)試分兩步進(jìn)行：一個(gè)在很低的載荷下（＜0.6 N），一個(gè)在較高的載荷下。如圖中所見(jiàn)，在整個(gè)范圍內(nèi)測(cè)力計(jì)的響應(yīng)有很好的線性。所以，測(cè)力計(jì)不是導(dǎo)致測(cè)試中觀察到的高可變性的原因。

另一個(gè)可能的變化來(lái)源是接近速度。這是一個(gè)可控的儀器參數(shù)，則認(rèn)為這是一個(gè)因素。所以，我們?cè)趦蓚€(gè)不同的接近速度下測(cè)試了試樣（5和10 mm/min），并且用兩種方法分析，結(jié)果如表4所示。正如預(yù)期那樣，接近速度對(duì)測(cè)得的黏著性值沒(méi)有影響。在任何一個(gè)分析方法中，測(cè)量值幾乎完全相同。然而，RSD在膠塊的接近速度下至少高出兩倍。接下來(lái)的測(cè)試（文中未表示）表明，在較高的接近速度下，儀器不能保持規(guī)定的載荷。與目標(biāo)的偏差也隨著載荷設(shè)置額增加而增大。所以后面的測(cè)試用5 mm/min的接近速度。

表4 接近速度的影響

研究的最后操作參數(shù)是分離速度。但這里我們有一個(gè)困惑，因?yàn)槲覀兊淖罱K目標(biāo)是規(guī)范兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)和中國(guó)），兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室有兩個(gè)類(lèi)似但又不同的儀器，每一個(gè)有微小的不同功能。所以，雖然在中國(guó)我們的儀器速度能達(dá)到127 mm/min，但在美國(guó)我們的儀器最大為50 mm/min（這不完全正確，我們的儀器可以移動(dòng)得更快，但移動(dòng)距離有限，在高速下不能使試樣完全分離完成試驗(yàn)）。因此，研究限制在兩個(gè)設(shè)置，10 mm/min和50 mm/min。結(jié)果如表5所示。用任何一種分析方法，在較高的分離速度下，觀察到的信號(hào)大幅增加（250%）。但在測(cè)試中變化性沒(méi)有同樣的增大，導(dǎo)致在較高的分離速度下兩種情況的RSD都較低。而曲線下面積給出的值幾乎是峰值力的2倍，RSD約為2%。這樣大幅的擴(kuò)大了測(cè)試范圍，同時(shí)也降低了可變性。

2.3 數(shù)據(jù)分析

在整個(gè)研究中，我們從峰值力和積分曲線下面積（總能量）2種方法獲得了結(jié)果。對(duì)其他儀器參數(shù)優(yōu)化后，表5詳細(xì)列出了用兩種方法獲得的結(jié)果。在50mm/min時(shí)，RSD1.8%和2%的差別不明顯，不能據(jù)此推薦一種方法。而積分曲線下面積確實(shí)給出了較高的測(cè)量值，并擴(kuò)大了范圍。然而，我們選擇使用這個(gè)分析方法，很明顯僅僅是一個(gè)局部偏好。而正確的選擇可能在其他情況下是不同的；比如黏著性非常低的試樣“曲線”非常小，而僅能觀察到一個(gè)峰值。

表5 分離速度的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于有合適的黏著性試樣，我們則排列了用電腦控制的拉伸儀和測(cè)力計(jì)測(cè)試黏著性的最佳測(cè)試條件，如表6所示。

表6 最佳儀器參數(shù)

有一個(gè)隨機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括8種不同樹(shù)脂，測(cè)試結(jié)果如表7所示。黏著性值的范圍僅僅為7.6個(gè)單位，但平均RSD為3.9%，對(duì)于有31.5和34.1的平均黏著性值的兩個(gè)試樣，T—檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.011。表明測(cè)試可以很容易區(qū)分試樣的黏著力。

表7 用最佳條件最近測(cè)試結(jié)果

強(qiáng)調(diào)這是對(duì)于具有合適黏著性的試樣；即輪胎胎側(cè)的典型配方。高黏著材料（例如未填充橡膠）或極其干燥的材料（例如高填充EPDM膠料），可能在某些方面沒(méi)有相同的響應(yīng)。我們正在努力開(kāi)發(fā)適合其類(lèi)型試樣方法。

編譯自《Rubber World》No.412016

（黃元昌）