周海濱 編譯

配合白炭黑和炭黑的SBR磨耗機(jī)理之研究

周海濱 編譯

將白炭黑和三種不同粒徑的炭黑分別配合在SBR中作磨耗試驗，比較了在不銹鋼網(wǎng)上滑移的橡膠的磨耗量，研究摩擦力和拉斷能密度的關(guān)系。

白炭黑;SBR;炭黑;磨耗

0 前言

在胎面膠中配合了白炭黑的輪胎，比以前只配合炭黑的輪胎的耗油量低，抗?jié)窕阅軆?yōu)異，所以其產(chǎn)量穩(wěn)步上升。研究的第一步是將配合了炭黑和白炭黑的橡膠與金屬網(wǎng)進(jìn)行摩擦，比較摩擦的粘附性和滯后性能。結(jié)果表明，配合了白炭黑的橡膠比配合炭黑的橡膠摩擦粘附性強(qiáng)，說明前者具有較高的摩擦力。輪胎胎面用橡膠不但要求有較高的摩擦力，還要求有較高的耐磨性。關(guān)于配合了白炭黑的橡膠的耐磨耗性能在許多研究報告中已有闡述，但對其磨耗機(jī)理詳細(xì)的研究卻很少。特別是磨耗機(jī)理與摩擦機(jī)理的關(guān)系十分密切，將兩者進(jìn)行對比，論述白炭黑膠料和炭黑膠料磨耗性能的研究論文幾乎是零。

文中將分別配合了白炭黑及三種不同粒徑炭黑的SBR與金屬絲網(wǎng)進(jìn)行摩擦、磨耗試驗，通過橡膠與金屬絲網(wǎng)的摩擦理論來推測磨耗機(jī)理，比較配合白炭黑和配合炭黑的橡膠的耐磨性。

1 實驗

1.1 摩擦、磨耗試驗

把橡膠置于帶有突起部的硬質(zhì)表面上并滑動，以此種形式作為模型，測定橡膠在干燥的金屬絲網(wǎng)上滑移時的摩擦力以及磨耗量。橡膠試樣的摩擦力和磨耗量采用銷釘式圓柱型摩擦磨耗試驗機(jī)測定，示意圖見圖1所示。在銷釘式圓柱型摩擦磨耗試驗機(jī)的圓柱上纏繞金屬絲網(wǎng)，使之與橡膠試樣進(jìn)行摩擦。摩擦力由設(shè)置在圓柱和皮帶輪間的扭矩儀測定，磨耗量通過橡膠試樣在垂直方向上的變化由差動互感器測定。橡膠試樣是如圖2所示的厚度3 mm、底面直徑6 mm的圓柱體。事先在試驗機(jī)圓柱上纏繞防水研磨紙cc#1500，將它繞成馬鞍形。試驗在23℃的室內(nèi)進(jìn)行，試樣上加載的負(fù)荷為7N，滑移速度為0.1 m/s。在對面纏繞JISG355中規(guī)定的TW-S，繞上由不銹鋼絲制成的金屬絲網(wǎng)。由于金屬絲網(wǎng)上排列著有規(guī)則的突起部，所以，容易觀察到橡膠的變形狀態(tài)和接觸狀態(tài)。另外，由于金屬絲網(wǎng)的突起部是圓形的，所以不僅會有像研磨紙那樣有尖銳的突起部，導(dǎo)致橡膠被削去的所謂磨料，這里還包括了疲勞磨耗的要素。不銹鋼絲的直徑是40 μm，在25.4 mm距離間有250個格柵。金屬絲網(wǎng)以與格柵縱摩擦方向相平行的方式纏繞。因此，在金屬絲網(wǎng)上滑移的橡膠的變形頻率ω為1 000 Hz，此時，滑移速度0.1 m/s，格柵間隔0.1 mm。

圖1 銷釘圓柱型摩擦測量儀

圖2 橡膠試樣模型

1.2 橡膠試樣

表1所示的4種橡膠試樣供摩擦、磨耗試驗和粘彈性試驗用。把粒徑不同的 N110(SAF)、N339(HAF)、N660(GPF)各等級炭黑及白炭黑分別以50份的量混入(相對于100質(zhì)量份SBR)。白炭黑系采用東松炭黑廠生產(chǎn)的Nipsil AQ(BET比表面積為212 m2/g)。SBR為乳聚丁苯橡膠1502，其玻璃化溫度(Tg)為-50℃。在配合了白炭黑的橡膠中采用的硅烷偶聯(lián)劑是雙(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫化物，其用量為白炭黑質(zhì)量份的8wt%。為了使各試樣的邵爾A硬度大致相同，可調(diào)整操作油的量。為了調(diào)節(jié)硫化速率，在配合了白炭黑的橡膠中多添加0.5質(zhì)量份的硫化促進(jìn)劑。

表1 橡膠配方(質(zhì)量份)

1.3 粘彈性試驗

粘彈性試驗采用粘彈性光譜儀(東洋精機(jī)株式會社制造)，在拉伸形變10%的條件下，以20 Hz的頻率給予±0.5%的動態(tài)變形。測量溫度從-50℃到60℃，使之以5℃/min的速率變更，每間隔2℃進(jìn)行測定，然后用從式(1)的WLF公式中求得的變動因子αT把溫度換算成頻率，求出粘彈性與頻率的相關(guān)性。

試驗中以所用的SBR的Tg+50℃為基礎(chǔ)溫度Ts，換算成在23℃時的頻率。

2 結(jié)果

由粘彈性試驗得到各試樣的儲存彈性模量Ε'和損耗角正切tan δ，然后對頻率作圖(圖3、4)。配合了SAF的橡膠的E'最高，配合GPF的橡膠的E'最低。tan δ位于1 000 Hz附近，與橡膠摩擦?xí)r的頻率相當(dāng)，配合GPF的橡膠的tan δ最低，而配合SAF的橡膠的tan δ最高。

圖3 儲存彈性模量E'與頻率的相關(guān)性

圖4 損耗角正切tan δ與頻率的相關(guān)性

各橡膠試樣的磨耗曲線見圖5下部所示，摩擦系數(shù)μ見圖5上部所示。隨著摩擦距離的增加，磨耗深度幾乎以一定的比例增大。根據(jù)磨耗曲線的斜率可以求得比磨耗量K。如表2所示，比磨耗量K是單位負(fù)荷、單位摩擦距離的近似磨耗量，可用下式(2)表示。式中V為磨耗體積，W為載荷量，另外，磨耗系數(shù)μ列于表2中。

配合SAF的橡膠的K值很小，說明耐磨性良好，配合白炭黑與配合GPF的橡膠的K值大。另一方面，配合SAF的橡膠和配合白炭黑的橡膠摩擦系數(shù)μ值較高，配合GPF的μ值最低。

磨耗試驗結(jié)束后的橡膠試片及摩擦對象的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片見圖6所示。不論哪個橡膠試片都用磨蝕圖來表示，至于磨蝕圖紋間隔，配合SAF的橡膠和配合白炭黑的橡膠的較小，而配合HAF的和配合GPF的橡膠的較大。配合HAF的橡膠試樣的摩擦對象表面上可以看到有磨耗粉末，而橡膠幾乎沒有移動。

圖5 磨耗深度h與滑移距離L及摩擦系數(shù)μ的相關(guān)性

表2 各試樣比磨耗量K和磨耗系數(shù)μ

圖6 磨耗試驗后被磨損橡膠表面的電子圖像(圖上部)和與之相接觸的金屬絲網(wǎng)表面(圖下部)

3 討論

在#250不銹鋼絲網(wǎng)上滑移的摩擦力F用已報道過的式(3)來表示:式中，A為接觸面積，s為接觸面上的剪切力，k為常數(shù)(k=3N4/3mm-2/3)，式(3)右邊第1項為粘附項FA，第二項為滯后項FH。粘附項與橡膠的接觸界面的強(qiáng)度有很大的關(guān)系。如果材料強(qiáng)度較弱，則與橡膠的剪切強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。由于摩擦的緣故界面被破壞，破壞力成為摩擦力的一部分，可以把它看作為對橡膠磨耗的補(bǔ)償。另一方面，滯后項乃起源于橡膠變形及回復(fù)時產(chǎn)生的滯后損失。橡膠生熱有抵制破壞的作用，但這并不是直接導(dǎo)致橡膠磨耗的因素。因此，可以用相當(dāng)于單位摩擦能消耗量的磨耗量K/μ除以滯后項，即把摩擦系數(shù)的粘附項寫成μA，則

如圖7所示，界面上的剪切層橡膠的厚度用d表示，拉斷時的剪切變形量用δsb表示，式(4)可以改寫成下式:

式中A·d為摩擦一次的磨耗體積，L/δsb為摩擦試驗中橡膠被破壞的次數(shù)，假定A·d·L/δsb等于磨耗體積V，那么式(4)、(5)可以寫成式(6):

S·δsb表示抗張積，它與破壞能密度U有關(guān)聯(lián)，這與Grosch和Schallamach的報告中的內(nèi)容是一致的，報告中認(rèn)為 K/μ與1/U相關(guān)聯(lián)。為此，進(jìn)行了與Grosch相同的拉伸試驗，求出破壞能密度U，并與K/μA作了比較。

為測定破壞能密度U，有必要使摩擦界面上的剪切變形速度和拉伸速度保持相同。改變式(3)得到式(7)，用式(7)并根據(jù)摩擦試驗結(jié)果求得剪切強(qiáng)度S與滑移速度的相關(guān)性，這與已有報告中稱拉伸強(qiáng)度與拉伸速度的相關(guān)性的變化十分相似。

圖7 磨耗層

其概略大致見圖8所示，圖8(a)為采用了與本文相同的，在金屬絲網(wǎng)上進(jìn)行摩擦試驗所求得的剪切強(qiáng)度S和摩擦試驗滑移速度的關(guān)系圖。圖8(b)為從拉伸試驗中得到的在23℃下拉伸強(qiáng)度與伸長速度的關(guān)系。從這些圖的比較中可以認(rèn)為，文中磨耗、摩擦試驗的滑移速度0.1 m/s與23℃下拉伸試驗中約為100 m/s時的滑移速度相當(dāng)。用式(1)的WLF式換算時間-溫度，此時，伸長速度為100 m/s的23℃下的拉伸試驗與伸長速度為8.33 m/s的-10℃下的拉伸試驗是等價的。因此，在日本標(biāo)準(zhǔn)JIS K6251中把伸長速度定為 500 mm/min，在-10℃下進(jìn)行拉伸試驗測定破壞能密度U。在-10℃下拉伸試驗中測定的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率以及破壞能密度U值列于表1。另外，將1 000 Hz下的E'以及表2中所列示的摩擦系數(shù)μ代入式(8)，求得摩擦系數(shù)的粘附項μA:

圖8 (a)配合炭黑與白炭黑的SBR在23℃下以不同的滑移速度所得的典型剪切強(qiáng)度的變化，(b)配合炭黑與白炭黑的SBR 23℃時不同伸長率下的典型拉伸強(qiáng)度的變化

圖9所示為K/μA與1/U的關(guān)系。配合炭黑的橡膠其K/μA—1/U曲線大約在同一條直線上，與該直線相比，用于文中測定的配合了白炭黑的橡膠的K/μA比值要大一些。即用配合白炭黑的橡膠與配合炭黑的橡膠相比，在破壞能密度與單位摩擦能大小比例方面消耗相當(dāng)?shù)哪ズ牧枯^大。另外，K/μA的值約為 1/U的1/1 000。由于金屬絲網(wǎng)的突起部引起的橡膠破壞和磨耗不僅是一次變形引起的，而是在反復(fù)變形中產(chǎn)生的。我們知道，橡膠試樣受到摩擦?xí)r，其每個樣品底部的龜裂都會擴(kuò)展。另外，還有報道稱，試樣的間隔越窄，耐磨性越好。在文中的試驗中，配合白炭黑的橡膠磨蝕圖形間隔與配合SAF的橡膠的相同，比配合HAF和GPF的要窄。盡管配合白炭黑的橡膠的耐磨性比配合炭黑的要差，但也不能推斷圖形下部龜裂擴(kuò)展的的速度比炭黑膠料大。有學(xué)者提出了龜裂擴(kuò)展的速度與磨耗體積的比例關(guān)系。有學(xué)者還提出了1/U比例的大小與撕裂強(qiáng)度這兩個因素會導(dǎo)致耐磨性發(fā)生變化。該文作者仔細(xì)研究了配合白炭黑與配合炭黑的橡膠磨蝕圖形進(jìn)行的速度，提出了在正常情況下，配合白炭黑的橡膠比配合炭黑的橡膠的磨蝕圖形進(jìn)行速度要快。因此，盡管配合白炭黑的橡膠磨蝕圖形的間隔與配合SAF的橡膠的相當(dāng)，但由于磨蝕圖形行進(jìn)速度快，因此耐磨性差。

圖9 K/μA與1/U的相互關(guān)系

4 結(jié)語

采用白炭黑及三種粒徑不同的炭黑分別配合在SBR中作了試驗，比較在不銹鋼絲網(wǎng)上滑移橡膠的磨耗量及摩擦力和破壞能密度的關(guān)系，得出以下的結(jié)論。

(1)與配合炭黑的橡膠的單位摩擦能消耗量相當(dāng)?shù)腒/μA，跟在-10℃下進(jìn)行的拉伸試驗中的破壞能密度的倒數(shù)1/U成直線關(guān)系，粒徑越小的炭黑其耐磨性越好。

(2)研究中所用的配合白炭黑的橡膠的K/μA與1/U曲線與配合炭黑的橡膠所得到的直線相反，K/μA比值較大。也就是說，與配合炭黑的橡膠相比，文中配合白炭黑的橡膠在破壞能密度大小的比例方面，與單位摩擦能消耗量相當(dāng)?shù)哪ズ牧看蟆?/p>

TQ 330.1+1

B

1671-8232(2011)11-0021-05

［實習(xí)編輯:鄒瑾芬］

［責(zé)任編輯:張啟躍］

2009-03-05