成品膠料高溫下的耐疲勞性能研究

陳水良，周慧卿，毛建清，程 剛

（1.杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018；2.中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018；3.杭州言志機(jī)械制造有限公司，浙江 杭州 311400）

橡膠是輪胎各部件的重要組成材料，輪胎壽命與其各部件材料的耐疲勞性能有著直接的關(guān)系[1-4]，在實(shí)際車輛運(yùn)行過程中輪胎各部件因受周期性的變形（拉伸、壓縮、剪切）和生熱老化，其膠料物理性能會有明顯的下降[5-11]。

本工作研究成品膠料在高溫下經(jīng)過反復(fù)伸縮變形后的耐疲勞性能。檢測了成品輪胎胎面膠的基本物理性能，著重分析了胎面膠、基部膠、胎肩墊膠和三角膠疲勞拉伸性能、老化后的拉伸性能變化情況，并對斷裂后的樣品斷口進(jìn)行了微觀剖析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

在胎面膠、基部膠、胎肩墊膠和三角膠等關(guān)鍵部件按標(biāo)準(zhǔn)切取（2±0.2） mm的試片，按橡膠物理試驗(yàn)方法和通用程序進(jìn)行樣品制備和調(diào)節(jié)。為避免膠料之間防老劑的遷移，每個部件制作4個樣品，各試樣均選取各部件中間層位置、采用啞鈴形二型裁刀進(jìn)行取樣，具體試樣尺寸按公司內(nèi)部技術(shù)要求制作。

1.2 主要設(shè)備和儀器

AB320G型切片機(jī)，德國FORTUNA公司產(chǎn)品；拉力機(jī)，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；橡膠高溫拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)，中國臺灣（松恕）檢測儀器有限公司產(chǎn)品；SZX16型體視顯微鏡，日本Olympus公司產(chǎn)品；JSM-7500型掃描電子顯微鏡（SEM）和JEM-2100型透射電子顯微鏡（TEM），日本電子株式會社產(chǎn)品。

1.3 性能測試

（1）膠料物理性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行測試。

（2）高溫疲勞測試按照GB/T 1688—2008進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本物理性能

按公司技術(shù)要求測試胎面膠的物理性能，結(jié)果如表1和圖1所示，其中，tanδ為損耗因子。

在樣品制備中發(fā)現(xiàn)境內(nèi)外各廠家成品輪胎膠料中均存在木屑、砂石、塑料、助劑結(jié)晶體、炭黑團(tuán)聚體和塑料紙等各種雜質(zhì)。由于膠料中潛在的缺陷會作為應(yīng)力集中點(diǎn)引發(fā)材料發(fā)生疲勞損壞，膠料的疲勞壽命部分依賴于膠料的交聯(lián)密度及力學(xué)性能，雜質(zhì)位置沒有分子交聯(lián)、力學(xué)性能降低與周圍部分強(qiáng)力不匹配，拉伸時產(chǎn)生剪切疲勞。

從表1和圖1可以看出，胎面膠老化前物理性能比較理想，但老化后的拉伸性能急劇下降。

表1 胎面膠的物理性能

2.2 高溫疲勞拉伸

胎面膠、基部膠、胎肩墊膠和三角膠的高溫疲勞拉伸測試數(shù)據(jù)如表2所示。各部件膠料高溫疲勞拉伸測試后斷口體視顯微鏡照片、SEM照片和TEM照片分別如圖2—4所示（均選疲勞次數(shù)最低的情況）。

表2 各部件膠料高溫疲勞拉伸次數(shù)

圖2 各部件膠料高溫疲勞拉伸測試后斷口體視顯微鏡照片

圖3 各部件膠料高溫疲勞拉伸測試后斷口SEM照片

圖4 各部件膠料高溫疲勞拉伸測試后斷口TEM照片

胎面膠、基部膠、胎肩墊膠和三角膠膠料中的雜質(zhì)如圖5所示。

從表2可以看出：正常胎面膠疲勞拉伸次數(shù)最高為754 925，最低為528 789；基部膠疲勞拉伸次數(shù)最高為589 371，最低為93 793；胎肩墊膠疲勞拉伸次數(shù)最高為43 366，最低為13 261；三角膠疲勞拉伸次數(shù)最高為609 379，最低為411 713；因雜質(zhì)影響，胎面膠、基部膠、胎肩墊膠和三角膠的疲勞拉伸次數(shù)分別降低了226 136，495 578，30 105和197 666；膠料高溫老化后疲勞拉伸性能變化更大，胎面膠耐疲勞性能下降91%，基部膠耐疲勞性能下降87%，胎肩墊膠耐疲勞性能上升29%，三角膠耐疲勞性能下降90%。

由圖2—5可以發(fā)現(xiàn)，膠料中存在明顯的雜質(zhì)、助劑結(jié)晶和炭黑分散不均結(jié)團(tuán)等情況，導(dǎo)致膠料疲勞損壞。結(jié)塊物或雜質(zhì)一方面是由原材料混煉加工和環(huán)境因素造成，另一方面由膠料混煉中無機(jī)填料及炭黑未分散均勻產(chǎn)生的結(jié)團(tuán)造成。膠料與結(jié)塊物或雜質(zhì)在輪胎行駛中受周期性應(yīng)力作用，因硬度不匹配導(dǎo)致的早期蠕動、剪切撕裂效應(yīng)會使膠料快速破壞，形成微裂，一旦裂紋產(chǎn)生，膠料受到剪切力的作用，性能會加倍損失。

綜上可知，膠料中的雜質(zhì)對其耐疲勞性能危害嚴(yán)重，老化后各膠料的拉伸性能急劇下降，常溫下膠料的疲勞壽命顯著依賴其力學(xué)性能，高溫老化后膠料性能隨交聯(lián)情況變化而變化，更會受到潛在雜質(zhì)引起的缺陷大小的影響。

3 結(jié)語

通過疲勞拉伸試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，因內(nèi)部雜質(zhì)的存在，成品膠料的耐疲勞性能有潛在的不穩(wěn)定因素。因此，成品輪胎在使用中產(chǎn)生的早期損壞、同批產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定與膠料中的雜質(zhì)缺陷有密切關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，原材料雜質(zhì)、現(xiàn)場工藝和膠料運(yùn)輸需要嚴(yán)格控制把關(guān)，做到生膠、混煉膠和半成品膠料不落地，避免雜質(zhì)進(jìn)入膠料，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。