采用更加黏著性測試方法

黃元昌

(全國橡塑機械信息中心，北京 100043)

幾十年來，在橡膠加工中采用增黏劑是一種司空見慣的做法。黏著性最簡單的定義就是兩種材料表面短時間、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，并要保持不動直到完成硫化加工全過程，黏著性十分重要。另外，在硫化過程中，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。

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

1 實驗

1.1 增黏樹脂

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

1.2 膠料混煉

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

1.3 黏著性測試

黏著性測試用Dynisco (過去被稱作B.F.Goodrich Portable Unirersal)黏著性試驗儀進(jìn)行。試驗存放在濕度和相對濕度(20℃，50%)受控的條件下最長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。典型配方見表1。

表1 用于測試典型配方

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。同一作者報道了溫度從3～25℃沒有影響。然而，接觸時間有非常明顯的影響。時間從1 ms增加到10 ms黏著性增加接近10倍。時間在增加一個數(shù)量級，黏著性僅增大3倍。時間進(jìn)一步增加100倍（從0.1～10 s），黏著性僅僅增加3倍。所以，時間和黏著性的關(guān)系在一個極短的時間區(qū)間非常敏感，并且在10 s后變得不那么明顯。

標(biāo)準(zhǔn)黏著性試驗的開發(fā)過程經(jīng)過幾次反復(fù)。而早期的試驗方法包括由黏合劑試驗的改進(jìn)，比如環(huán)形黏性，及測量一個規(guī)定的球從橡膠涂復(fù)斜面上滾下來的時間。這些測量方法不是十分精確，并且測試變量控制方法很少。而目前最先進(jìn)的黏著性測量設(shè)備采用一個計算機控制的拉伸儀和一個測力傳感器。試樣在給定壓力下接觸設(shè)定的時間，然后被分離。在分離過程中，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)的測試方法，使黏著性測試成為更可靠的測試。

在優(yōu)化黏著性型測試時，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。對于試樣，評估了形狀、厚度和結(jié)構(gòu)。試樣第4個需要考慮的因素，尤其是包括NR的膠料，是加工工藝。然而，這個分析超出了本文的范圍，將在以后的論文中單獨討論。而對于操作參數(shù)，評估了接觸壓力、時間以及分離速度。這種類型的測試適用于兩種分析模式：分離時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，但我們僅評估了從剛出的橡膠片上裁下來的圓形試樣。按照我們的經(jīng)驗，平試樣更容易處理和使用，因此，我們使用扁平狀的試樣架。在測試之前，實際試樣用氰基丙烯酸酯膠黏到圓盤上。

在測試中，為了防止邊緣效應(yīng)干擾測試結(jié)果，使用了兩個不同直徑（12 mm和16 mm）的試樣。用這種方式，測試了僅有一個暴露切邊，盡管我們試驗了幾個不同的直徑對，但我們發(fā)現(xiàn)這些能產(chǎn)生足夠的黏著性，可在測力傳感器響應(yīng)范圍內(nèi)很好地測量。從理論上講，對于低黏著性的材料（比如EPDM）,為產(chǎn)生可接受的測量結(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個試樣在每個厚度下的測量結(jié)果，盡管黏著性的絕對值隨試樣厚度的增加而降低，但RSD（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差）變小。在2 mm時，RSD是10.1%，然而，在4 mm時，RSD是2 mm時的一半，為5.1%。而5 mm時沒有顯示出最小的RSD,與較低設(shè)定值相比，在開煉機上制備試樣更可靠，重現(xiàn)性更好。2 mm試樣有如此高的誤差可能是因為我們不能精確地控制厚度，或與安裝有關(guān)，比如膠黏劑的滲透。

圖1 不同試樣厚度的測試

2.2 儀器操作

表2 黏著性（測試厚度）

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

對于施加載荷的試驗，我們則選擇了兩個設(shè)置，2 N和5 N。圖2表示一組5個試樣在每個條件下的測試結(jié)果。

圖2 施加載荷的影響

顯然，當(dāng)使用較大的載荷時，重現(xiàn)性大幅提高。表3表示出20個試樣在兩個載荷和兩個分離速度下測試的數(shù)據(jù)。比較2 N和5 N在這一個分離速度下（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，較高的載荷下測試結(jié)果重現(xiàn)性更好。而考慮在測試中的可變性可能來自儀器自身，不是實現(xiàn)的現(xiàn)象。所以我們校準(zhǔn)了測力計，看它是否在這個范圍內(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)

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

另一個可能的變化來源是接近速度。這是一個可控的儀器參數(shù)，則認(rèn)為這是一個因素。所以，我們在兩個不同的接近速度下測試了試樣（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，接近速度對測得的黏著性值沒有影響。在任何一個分析方法中，測量值幾乎完全相同。然而，RSD在膠塊的接近速度下至少高出兩倍。接下來的測試（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。但這里我們有一個困惑，因為我們的最終目標(biāo)是規(guī)范兩個實驗室（美國和中國），兩個實驗室有兩個類似但又不同的儀器，每一個有微小的不同功能。所以，雖然在中國我們的儀器速度能達(dá)到127 mm/min，但在美國我們的儀器最大為50 mm/min（這不完全正確，我們的儀器可以移動得更快，但移動距離有限，在高速下不能使試樣完全分離完成試驗）。因此，研究限制在兩個設(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，觀察到的信號大幅增加（250%）。但在測試中變化性沒有同樣的增大，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%。這樣大幅的擴大了測試范圍，同時也降低了可變性。

2.3 數(shù)據(jù)分析

在整個研究中，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，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給出了較高的測量值，并擴大了范圍。然而，我們選擇使用這個分析方法，很明顯僅僅是一個局部偏好。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，而僅能觀察到一個峰值。

表5 分離速度的影響

3 結(jié)束語

對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力計測試黏著性的最佳測試條件，如表6所示。

表6 最佳儀器參數(shù)

有一個隨機實驗項目，包括8種不同樹脂，測試結(jié)果如表7所示。黏著性值的范圍僅僅為7.6個單位，但平均RSD為3.9%，對于有31.5和34.1的平均黏著性值的兩個試樣，T—檢驗統(tǒng)計量為0.011。表明測試可以很容易區(qū)分試樣的黏著力。

表7 用最佳條件最近測試結(jié)果

強調(diào)這是對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），可能在某些方面沒有相同的響應(yīng)。我們正在努力開發(fā)適合其類型試樣方法。

編譯自《Rubber World》No.412016

（黃元昌）