徐 瑾，何 燕

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

橡膠磨耗在輪胎日常使用過程中是一種十分常見的現(xiàn)象，磨損是由于機(jī)械作用和化學(xué)反應(yīng)在固體摩擦表面產(chǎn)生的一種材料逐漸損耗的現(xiàn)象[1]，橡膠的耐磨性除了其自身的強(qiáng)度、滯后性能、彈性模量、疲勞性能和摩擦等內(nèi)外因，還受到壓力、溫度、周圍環(huán)境介質(zhì)和滑動(dòng)速度等的制約，熱化學(xué)、機(jī)械化學(xué)和氧化降解也使得這一問題更加復(fù)雜化。肖琰等[2]針對(duì)天然橡膠（NR）的熱氧老化現(xiàn)象做了一系列測試，發(fā)現(xiàn)在老化初期力學(xué)性能和交聯(lián)密度增大，但隨著老化的進(jìn)行，降解效應(yīng)占主導(dǎo)，硬度和交聯(lián)密度下降；呂仁國等[3]研究了滑動(dòng)速度對(duì)丁腈橡膠摩擦特性的影響，發(fā)現(xiàn)在低滑動(dòng)速度下，磨耗隨著滑動(dòng)速度的提高急劇降低，高滑動(dòng)速度下磨耗與滑動(dòng)速度幾乎無關(guān)。韓晶杰等[4]采用旋轉(zhuǎn)滾筒式磨耗機(jī)研究不同環(huán)境介質(zhì)下NR相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)橡膠磨耗性能的影響，發(fā)現(xiàn)干磨磨損比濕磨大得多，相同介質(zhì)下橡膠的磨損隨著相對(duì)分子質(zhì)量的減小而增大。

本工作研究熱氧老化和對(duì)磨角度等外界條件對(duì)硫化膠磨耗性能的影響，以期為提高橡膠材料的磨耗壽命提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，牌號(hào)SCR5，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)產(chǎn)品；炭黑N375，天津天一世紀(jì)化工產(chǎn)品科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

NR 100，納米氧化鋅 3.5，硬脂酸 1，微晶蠟 1，增塑劑ZD-1 2，防焦劑CTP 0.08，防老劑4020 2，防老劑RD 0.5，充油不溶性硫黃1.98，促進(jìn)劑NS 1.3，炭黑 變品種、變量。

1.3 試樣制備

設(shè)置密煉室內(nèi)溫度為60 ℃，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r min-1，將NR放入Haake轉(zhuǎn)矩流變儀中混煉,轉(zhuǎn)矩-時(shí)間曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)投入除硫黃外的配合劑，待轉(zhuǎn)矩再達(dá)到穩(wěn)態(tài)后加入炭黑，排膠溫度控制在90 ℃左右；在開煉機(jī)上加入硫黃，混煉下片，冷卻待用。

1.4 性能測試

（1）采用高鐵科技股份有限公司生產(chǎn)的GT-7017-L型恒溫老化箱對(duì)試樣進(jìn)行老化處理，并采用其T-AI-7000S型電子拉力機(jī)和阿克隆磨耗機(jī)，按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行物理性能和磨耗性能測試。

（2）采用德國Innovative Imaging公司生產(chǎn)的MR-CDS 3500型交聯(lián)密度儀測試交聯(lián)密度。測試條件：磁場強(qiáng)度 0.35 T，共振頻率 15 MHz，溫度 90 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 老化環(huán)境

橡膠制品的老化是一個(gè)由表及里、由量變到質(zhì)變的過程，是多種內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。將填充30份炭黑N375的硫化膠進(jìn)行熱氧老化處理，設(shè)定溫度為100 ℃。老化時(shí)間對(duì)試樣基本物理性能的影響如表1所示。

表1 老化時(shí)間對(duì)試樣基本物理性能的影響

從表1可以看出，隨著熱氧老化時(shí)間的延長，硫化膠的拉伸強(qiáng)度有所下降。這是由于老化后表面產(chǎn)生了空隙及凹凸不平的缺陷。隨著時(shí)間的延長，熱氧老化對(duì)NR主鏈催化裂解，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降。拉斷伸長率也明顯降低，呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，這可能是由于老化后橡膠表面硬化，提高了抗破壞能力。試樣在老化過程中表面逐漸變得致密并失去彈性，交聯(lián)過多，橡膠表面強(qiáng)度增大，彈性和韌性下降，硬度不斷增大。隨著老化時(shí)間的延長，炭黑的表面基團(tuán)（如醌基、羥基等）為試樣內(nèi)部的交聯(lián)提供了更多的活性基團(tuán)，使內(nèi)部發(fā)生了以交聯(lián)為主的反應(yīng)，之后降解和交聯(lián)作用并存，但以交聯(lián)為主。

老化時(shí)間對(duì)試樣交聯(lián)密度等參數(shù)的影響如表2所示。

從表2可以看出，隨著老化時(shí)間的延長，橡膠大分子鏈遭到破壞的程度加深，網(wǎng)鏈部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A1）逐漸減小，自由懸掛鏈末端和活動(dòng)性強(qiáng)的小分子等部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A2）逐漸增大。隨著交聯(lián)密度的增大，橡膠分子間的交聯(lián)點(diǎn)增多，相鄰交聯(lián)點(diǎn)間的分子鏈變短，相鄰交聯(lián)點(diǎn)之間的質(zhì)量（Mc）變小。t2為橫向弛豫時(shí)間，反映氫原子的受束縛程度，隨著老化時(shí)間延長，交聯(lián)密度增大，對(duì)分子運(yùn)動(dòng)性限制增強(qiáng)，t2縮短。普通硫黃硫化體系中含有較多的多硫鍵，這些多硫鍵伴隨著熱氧老化而發(fā)生斷裂轉(zhuǎn)變成更多的單硫鍵，因此老化后的交聯(lián)密度更高。

表2 老化時(shí)間對(duì)試樣交聯(lián)密度等參數(shù)的影響

老化時(shí)間為0，24，48和72 h時(shí)，硫化膠的阿克隆磨耗量分別為0.282，0.469，0.541和0.598 cm3。由此可見，隨著熱氧老化時(shí)間的延長，雖然硬度和交聯(lián)密度有所增大，但由于熱氧老化導(dǎo)致NR發(fā)生自動(dòng)催化裂解，大分子主鏈斷裂。普通硫黃硫化體系最不耐熱氧老化，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的下降對(duì)磨耗的影響起主要作用，拉伸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)拉伸變形，拉斷伸長率代表試樣彈性變形能力，隨著試樣抵抗變形的能力變?nèi)?，磨耗量逐漸增大。

2.2 溫度

輪胎在行駛過程中胎肩溫度可高達(dá)100 ℃，胎冠溫度達(dá)70～80 ℃[5]。通過改進(jìn)阿克隆磨耗裝置，測試幾種硫化膠在高溫下的磨耗行為。溫度對(duì)硫化膠磨耗性能的影響如表3所示。

表3 溫度對(duì)硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

從表3可以看出，在高溫和常溫下，炭黑N375填充NR硫化膠的磨耗量隨炭黑用量的增大都呈現(xiàn)減小的趨勢。相對(duì)常溫下的磨耗量，硫化膠在高溫下的磨耗量變大，磨耗性能變差。這是由于橡膠摩擦界面因摩擦熱產(chǎn)生局部高溫，在磨耗過程中伴隨有機(jī)械化學(xué)降解，削弱了橡膠分子鏈之間的結(jié)合，而外部的高溫加快了這一過程的進(jìn)行。在高溫磨耗的膠輪上也發(fā)現(xiàn)有脫落的降解顆粒和油狀物質(zhì)，這說明在高溫下主要以降解和磨粒磨耗為主。低用量炭黑硫化膠在常溫與高溫下的磨耗量相差不大，可能是因?yàn)樵诘陀昧肯聫?fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比較大，在30份時(shí)最佳。此時(shí)雖然硫化膠的熱導(dǎo)率隨炭黑用量的增大而增大，但硬度對(duì)磨耗的影響比拉伸強(qiáng)度和熱導(dǎo)率大得多。

2.3 磨耗角度

在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷（26.7 N）和標(biāo)準(zhǔn)磨耗里程（1.61 km）下，改變對(duì)磨磨耗角度（15°，20°，25°），選用炭黑N234填充NR硫化膠，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)試樣平面與砂輪平面之間的角度使試樣在砂輪上產(chǎn)生不同速度的相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)行磨耗性能研究。磨耗角度對(duì)硫化膠磨耗性能的影響如表4所示。

表4 磨耗角度對(duì)硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

從表4可以看出，試樣的磨耗量隨著磨耗角度的增大而成倍地增加，特別表現(xiàn)在低用量炭黑填充膠中。磨耗角度的變大帶來對(duì)磨接觸面的增大。隨著炭黑用量的增大，這種因磨耗角度不同而引起的磨耗量差異減小，可能是由于硬度增大所致。

2.4 磨耗里程

橡膠的磨耗是一個(gè)從無到有逐漸發(fā)展的過程。橡膠磨耗的發(fā)生有一個(gè)誘導(dǎo)期，磨耗程度在一定程度上與磨耗里程和磨耗時(shí)間有關(guān)，因此將硫化膠試樣磨耗試驗(yàn)進(jìn)行分段研究就顯得尤為重要。

在固定磨耗角度（15°）和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷（26.7 N）下，將炭黑N375填充NR硫化膠的阿克隆磨耗全程平均分成7段，砂輪轉(zhuǎn)數(shù)為1 709～6 836，間隔為850轉(zhuǎn)，對(duì)整個(gè)磨耗過程進(jìn)行研究。磨耗里程對(duì)硫化膠磨耗性能的影響如表5所示。

從表5可以看出，硫化膠在各階段的磨耗量幾乎一致。除了填充10份炭黑硫化膠的磨耗量呈線性增大，其他炭黑用量硫化膠在低里程（在1～2階段）下的磨耗量相對(duì)較小，這可能是因?yàn)槟ズ睦锍淘黾?，時(shí)間延長，造成膠料溫度持續(xù)升高，粘性耗散大大下降。

表5 磨耗里程對(duì)硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

2.5 摩擦介質(zhì)

一般把輪胎的磨損過程分為3步，首先是表面間相互作用，其次是表層材料的變化，再次是表層材料的破壞。表面間的相互作用分為機(jī)械作用和分子作用兩種。其中，機(jī)械作用有兩摩擦表面直接接觸和兩接觸表面夾雜外界磨粒兩種情況。本研究采用沙子作為外界磨粒，研究3種炭黑（用量為50份）填充硫化膠直接接觸磨損與三體磨損之間的差別，結(jié)果如表6所示。

表6 摩擦介質(zhì)對(duì)硫化膠阿克隆磨耗量的影響 cm3

從表6可以看出，沙子作為第三方介質(zhì)在整個(gè)磨耗過程中起到了重要的作用。有沙子作為磨耗介質(zhì)的磨耗量都大幅度減小。沙子填進(jìn)了磨耗表面的空隙，使磨耗面變得光滑，也間接地增大了胎面膠表面的硬度，而且沙子會(huì)帶走膠料表面產(chǎn)生的熱量，抑制了表面溫度升高，減小了因表面高溫而帶來的材料破壞，從而使耐磨性能得到提高。同時(shí)沙子間接地減小了對(duì)磨體之間的接觸面積。

3 結(jié)論

（1）隨著熱氧老化時(shí)間的延長，硫化膠的磨耗量逐漸增大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率都有所下降，硬度增大，交聯(lián)密度先增大后減小。

（2）相對(duì)常溫下的磨耗量，硫化膠在高溫下的磨耗量變大，磨耗性能變差。

（3）試樣的磨耗量隨對(duì)磨角度的增大而成倍提高，特別表現(xiàn)在低用量炭黑填充膠中。

（4）在不同炭黑用量下，硫化膠在各階段的磨耗量幾乎一致。除了填充10份炭黑的硫化膠磨耗量呈線性增大外，其他炭黑用量填充的硫化膠在低里程下的磨耗量較小。

（5）沙子作為第三方介質(zhì)在整個(gè)磨耗過程中起重要作用，有沙子作為磨耗介質(zhì)的磨耗量都大幅減小。